[논문 리뷰] A Comparison Study of Coupled and Decoupled Uplink Heterogeneous Cellular Networks

Lan Zhang, Gang Feng외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 06.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 스토하스틱 기하학을 사용하여 이질적 이동통신망(HetNets)에서 결합형 및 분리형 업링크(UL)/다운링크(DL) 접근 방식을 비교하며, 분수형 전력 제어(FPC)를 통해 동적 업링크 전력 제어를 모델링한다. 결과적으로 분리형 UL/DL 접근 방식(DUDA)은 전통적인 결합형 접근 방식(CUDA)에 비해 시스템 속도, 스펙트럼 효율성 및 에너지 효율성에서 뚜렷한 성능 향상을 보이며, 기지국과 사용자 간의 부하 균형 및 공정성 또한 향상된다.

ABSTRACT

The evolution of mobile cellular networks has brought great changes of network architecture. For example, heterogeneous cellular network (HetNet) and Ultra dense network (UDN) have been proposed as promising techniques for 5G systems. Dense deployment of base stations (BSs) allows a mobile user to be able to access multiple BSs. Meanwhile the unbalance between UL and DL in HetNets, such as different received SINR threshold and traffic load, etc., becomes increasingly obvious. All these factors naturally inspire us to consider decoupling of uplink and downlink in radio access network. An interesting question is that whether the decoupled uplink (UL) /downlink (DL) access (DUDA) mode outperforms traditional coupled uplink (UL)/downlink (DL) access (CUDA) mode or not, and how big is the performance difference in terms of system rate, spectrum efficiency (SE) and energy efficiency (EE), etc. in HetNets. In this paper, we aim at thoroughly comparing the performance of the two modes based on stochastic geometry theory. In our analytical model, we take into account dynamic transmit power control in UL communication. Specifically, we employ fractional power control (FPC) to model a location-dependent channel state. Numerical results reveals that DUDA mode significantly outperforms CUDA mode in system rate, SE and EE in HetNets. In addition, DUDA mode improves load balance and potential fairness for both different type BSs and associated UEs.

연구 동기 및 목표

• 이질적 이동통신망에서 분리형 업링크/다운링크 접근 방식(DUDA)이 기존의 결합형 업링크/다운링크 접근 방식(CUDA)보다 우수한지 조사하기.
• DUDA가 시스템 속도, 스펙트럼 효율성(SE), 에너지 효율성(EE)과 같은 주요 성능 지표에 미치는 영향을 평가하기.
• HetNets에서 DUDA 모드와 CUDA 모드 간의 부하 균형 및 공정성 향상 정도 분석하기.
• 분수형 전력 제어(FPC)를 사용하여 위치에 따라 달라지는 채널 상태를 반영하는 업링크 전송 모델링하기.
• 스토하스틱 기하학 이론에 기반한 종합적인 분석적 비교 제공하기.

제안 방법

• 저자들은 이질적 네트워크에서 마크로 및 스몰 기지국(BS)의 공간 분포를 모델링하기 위해 스토하스틱 기하학을 활용한다.
• 업링크 전송은 경로 손실 및 경로 손실 지수를 반영하여 위치에 따라 달라지는 채널 조건을 반영하는 분수형 전력 제어(FPC)를 사용하여 모델링된다.
• 사용자가 업링크와 다운링크에 대해 각각 가장 적합한 서비스 기지국에 연결하는 방식으로, 결합형(CUDA)과 분리형(DUDA) 접근 방식 모두에서 시스템 성능을 평가한다.
• 시스템 속도, 스펙트럼 효율성(SE), 에너지 효율성(EE)과 같은 핵심 성능 지표는 스토하스틱 기하학 프레임워크를 사용하여 분석적으로 유도된다.
• 모델은 동적 전송 전력 제어를 포함하며, 업링크와 다운링크의 수신 SINR 임계값 및 트래픽 부하의 불균형을 고려한다.
• 다양한 네트워크 밀도화 및 부하 조건에서 DUDA와 CUDA를 비교하기 위해 수치적 결과를 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적 이동통신망에서 분리형 업링크/다운링크 접근 방식(DUDA)이 기존의 결합형 업링크/다운링크 접근 방식(CUDA)보다 더 높은 시스템 속도를 제공하는가?
• RQ2 DUDA는 이질적 이동통신망에서 CUDA에 비해 스펙트럼 효율성(SE)과 에너지 효율성(EE)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 DUDA는 다양한 유형의 기지국과 사용자 기기 간의 부하 균형 및 공정성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 동적 업링크 전력 제어 및 경로 손실 변동은 DUDA가 CUDA에 비해 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 HetNet 구현 환경에서 DUDA와 CUDA 간의 정량적 성능 격차는 얼마인가?

주요 결과

• DUDA는 시스템 속도에서 CUDA보다 뚜렷한 성능 향상을 보이며, 이는 향상된 사용자 연결 및 감소된 업링크 간섭 덕분이다.
• DUDA에서는 최적화된 사용자-기지국 연결 덕분에 가용 스펙트럼을 더 효율적으로 활용함으로써 스펙트럼 효율성(SE)이 향상된다.
• DUDA 모드에서는 사용자가 업링크 전송에 가장 적합한 기지국에 연결할 수 있어 전송 전력이 감소함으로써 에너지 효율성(EE)이 향상된다.
• DUDA는 마크로 및 스몰 기지국 간의 부하 균형을 향상시켜 고부하 기지국의 혼잡도를 감소시킨다.
• DUDA는 사용자가 세포 경계에 있을 경우 더 강한 업링크 서비스 기지국에 연결할 수 있도록 해 업링크 아웃리지 확률을 감소시켜 공정성을 향상시킨다.
• 수치적 결과는 DUDA의 성능 향상이 다양한 네트워크 밀도화 수준 및 트래픽 부하 조건에서 일관되게 유지됨을 확인한다.