[論文レビュー] Uplink Capacity and Interference Avoidance for Two-Tier Femtocell Networks

Vikram Chandrasekhar, Jeffrey G. Andrews|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2007

Advanced MIMO Systems Optimization被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、時刻ホッピングとセクタアンテナを用いたDS-CDMAを用いた2ティアフェミニセルネットワークにおける、確率的幾何学的アプローチを用いた上行リンク容量解析とインタフェンス回避戦略を提案する。オペレーティングコンター（OC）指標を導入し、障害率制約下でのマクロセルユーザとフェミニセル基地局の妥当な組み合わせを定量化し、干渉低減が、オムニディレクショナルアンテナを用いたスプリットスペクトル方式と比較して最大7倍のフェミニセル密度向上を可能にすることを示している。

ABSTRACT

Two-tier femtocell networks-- comprising a conventional macrocellular network plus embedded femtocell hotspots-- offer an economically viable solution to achieving high cellular user capacity and improved coverage. With universal frequency reuse and DS-CDMA transmission however, the ensuing cross-tier cochannel interference (CCI) causes unacceptable outage probability. This paper develops an uplink capacity analysis and interference avoidance strategy in such a two-tier CDMA network. We evaluate a network-wide area spectral efficiency metric called the \\emph{operating contour (OC)} defined as the feasible combinations of the average number of active macrocell users and femtocell base stations (BS) per cell-site that satisfy a target outage constraint. The capacity analysis provides an accurate characterization of the uplink outage probability, accounting for power control, path-loss and shadowing effects. Considering worst case CCI at a corner femtocell, results reveal that interference avoidance through a time-hopped CDMA physical layer and sectorized antennas allows about a 7x higher femtocell density, relative to a split spectrum two-tier network with omnidirectional femtocell antennas. A femtocell exclusion region and a tier selection based handoff policy offers modest improvements in the OCs. These results provide guidelines for the design of robust shared spectrum two-tier networks.

研究の動機と目的

• 共有スペクトルとユニバーサル周波数再利用を想定した2ティアフェミニセルネットワークにおける上行リンク容量のモデル化と解析を行う。
• パスロス、シェイディング、パワー制御を考慮したフェミニセルからマクロセルユーザへのクロスティアインタフェンスの影響を定量化する。
• 時間ホッピングCDMAとセクタアンテナといったインタフェンス回避技術がネットワーク容量に与える影響を評価する。
• フェミニセル除外領域とティア選択に基づくハンドオーバーの利点をシステム性能向上の観点から評価する。

提案手法

• フェミニセルとマクロセルユーザのランダムな空間配置をモデル化するため、ポアソン点過程を用いた確率的幾何学フレームワークを採用する。
• ターゲット障害確率を満たすマクロセルユーザとフェミニセル基地局の組み合わせとしてのオペレーティングコンター（OC）を定義する。
• 支配的マクロセル干渉源をモデル化し、干渉統計に一次テイラー展開を適用することで、フェミニセルユーザの下限障害確率を導出する。
• 干渉の統合に、累積分布関数の畳み込みを適用し、ペアワイズ独立性を活用する。
• セルエッジでの強い干渉を排除するため、フェミニセル除外領域を導入し、信頼性を向上させる。
• 独立なベルヌーイスプライニングを用いて、フェミニセルによってサービスされないマクロセルユーザの強度を近似し、ティア選択に基づくハンドオーバーをモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共有スペクトルとユニバーサル周波数再利用を想定した2ティアフェミニセルネットワークにおける上行リンク容量は何か？
• RQ2 パスロス、シェイディング、パワー制御を考慮した場合、クロスティア干渉はどの程度正確に特徴づけられるか？
• RQ3 時間ホッピングCDMAとセクタアンテナは、どの程度干渉を低減し、フェミニセル密度を向上させるか？
• RQ4 フェミニセル除外領域は、オペレーティングコンターの向上にどの程度効果的か？
• RQ5 ティア選択に基づくハンドオーバーポリシーによる容量向上はどの程度か？

主な発見

• 時刻ホッピングCDMAに加えセクタアンテナを用いることで、オムニディレクショナルフェミニセルアンテナを用いたスプリットスペクトル2ティアネットワークと比較して、フェミニセル密度が約7倍に向上する。
• オペレーティングコンター（OC）指標は、ターゲット障害制約下でのマクロセルユーザ負荷とフェミニセル基地局密度のトレードオフを効果的に捉えている。
• セクタリングと時間ホッピングによる干渉低減は、特にセルエッジで顕著なクロスティア干渉低減を実現する。
• フェミニセル除外領域とティア選択ハンドオーバー政策は、オペレーティングコンターにわずかだが明確な改善をもたらす。
• 提案された解析モデルは、干渉統計を近似しない範囲で、広いフェミニセル密度範囲において上行リンク障害確率を正確に特徴づけている。
• 下限障害確率式（式18）は、システム設計に適したタイトな近似を提供しており、テイラー展開および干渉分布の畳み込みによる妥当性が検証されている。