[論文レビュー] Uplink Interference Analysis for Two-tier Cellular Networks with Diverse Users under Random Spatial Patterns

Wei Bao, Ben Liang|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2013

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、異なるユーザーおよび基地局を有する2ティアセルラーネットワークにおける上行リンク干渉を正確に分析するため、重ね合わせ-集約-重ね合わせ（SAS）アプローチを用いた確率的幾何モデルを提案する。干渉の正確なラプラス変換を導出し、準中止確率の正確な計算を可能にするとともに、準中止制約下での強度計画が凸最適化問題に帰着されることを示し、数値結果により検証されている。

ABSTRACT

Multi-tier architecture improves the spatial reuse of radio spectrum in cellular networks, but it introduces complicated heterogeneity in the spatial distribution of transmitters, which brings new challenges in interference analysis. In this work, we present a stochastic geometric model to evaluate the uplink interference in a two-tier network considering multi-type users and base stations. Each type of tier-1 users and tier-2 base stations are modeled as independent homogeneous Poisson point processes, and tier-2 users are modeled as locally non-homogeneous clustered Poisson point processes centered at tier-2 base stations. By applying a superposition-aggregation-superposition approach, we quantify the interference at both tiers. Our model is also able to capture the impact of two types of exclusion regions, where either tier-2 base stations or tier-2 users are restricted in order to avoid cross-tier interference. As an important application of this analytical model, an intensity planning scenario is investigated, in which we aim to maximize the total income of the network operator with respect to the intensities of tier-2 cells, under constraints on the outage probabilities of tier-1 and tier-2 users. The result of our interference analysis suggests that this maximization can be converted to a standard convex optimization problem. Finally, numerical studies further demonstrate the correctness of our analysis.

研究の動機と目的

• 2ティアセルラーネットワークにおける上行リンク干渉の課題を、ティア1ユーザー、ティア2基地局、およびティア2ユーザーの非一様な空間的分布を考慮して解決すること。
• 非一様ポアソン点過程（PPP）を用いて、ティア2ユーザーがティア2基地局の周囲に集団的に分布する空間的ランダム性とクラスタリングをモデル化すること。
• 基地局（BS）除外領域およびユーザー設備（UE）除外領域の2種類の除外領域が、クロスタイア干渉および準中止性能に与える影響を分析すること。
• 両ティアの個別準中止確率制約下でネットワークオペレータ収益を最大化する強度計画問題を定式化し、解くこと。
• 干渉解析が凸最適化問題に帰着されることを示し、効率的かつ最適なシステム設計を可能にすること。

提案手法

• ティア1ユーザーおよびティア2基地局を独立した一様ポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、ティア2ユーザーをティア2基地局を中心とする局所的な非一様クラスタードPPPとしてモデル化する。
• すべてのティア2ユーザーからの干渉を1つの等価干渉源に解析的に集約するため、重ね合わせ-集約-重ね合わせ（SAS）アプローチを開発する。近似を回避する。
• PPPのラプラス関数および集約干渉の生成関数を用いて、両ティアにおける上行リンク干渉全体の正確なラプラス変換を導出する。
• 基地局（BS）除外領域およびユーザー設備（UE）除外領域の2種類の除外領域を組み込み、クロスタイア干渉低減をモデル化する。
• 準中止確率制約を線形強度トレードオフに変換することで、強度計画問題を凸最適化問題として定式化する。
• さまざまな空間相関レベルおよび除外領域パラメータを想定した広範なモンテカルロシミュレーションにより、解析モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるユーザー種別および空間的に相関するティア2ユーザーを有する2ティアセルラーネットワークにおける上行リンク干渉を、どのように正確にモデル化できるか？
• RQ2 BS除外領域およびUE除外領域が、ティア1およびティア2ユーザーの準中止性能に与える影響は何か？
• RQ3 ティア1ユーザーまたはティア2基地局の位置に空間相関がある場合、強度計画問題の性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 上行リンク干渉解析を凸最適化問題に変換できるか？これにより、効率的なシステム設計が可能になるか？
• RQ5 現実的な空間パターンおよび除外制約下で、解析結果とシミュレーション結果の一致度はどの程度か？

主な発見

• 提案されたSASアプローチにより、近似を一切用いずに上行リンク干渉を正確に解析的に計算可能となり、従来手法に比べて著しく精度が向上する。
• 同一の除外半径の場合、UE除外領域はBS除外領域よりもティア1ユーザーの準中止確率低減に効果的である。
• ティア1ユーザーまたはティア2基地局における空間相関が、準中止確率を上昇させる。その影響は強い相関レベル（例：α ≤ 10^1.5）で顕著に現れる。
• 相関が弱い場合（α ≥ 10^2）、相関がある場合の最適ユーティリティは性能ギャップη(α) < 0.05の範囲内にあり、ロバスト性が確認される。
• 準中停止制約付きの強度計画問題が凸最適化問題として再定式化され、ネットワーク収益最大化の効率的かつ最適な解法が可能になる。
• 数値結果により、解析モデルの正確性が確認され、さまざまな空間配置および除外シナリオにおいて、理論的予測とシミュレーション結果が良好に一致している。