[논문 리뷰] A New Capacity Scaling Law in Ultra-Dense Networks.

Ming Ding, David López‐Pérez외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 03.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 9인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 현실적인 조건—비제로 기지국-사용자 단말기(UE) 안테나 높이 차이와 유한한 UE 밀도—하에 신호 및 간섭 전력의 유한성으로 인해 초고밀도 네트워크(UDN)에서 공간 스펙트럼 재사용-SSR의 근본적인 한계를 규명한다. 일정한 용량 스케일링 법칙을 제안하고, 모든 소형 기지국을 활성화할 경우 네트워크 용량이 악화되는 바람직하지 않은 영역이 존재함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기지국 밀도가 증가함에 따라 초고밀도 네트워크(UDN)에서 공간 스펙트럼 재사용-SSR에 근본적인 한계가 존재하는지 조사하기.
• 특히 비제로 기지국-사용자 단말기(UE) 안테나 높이 차이와 유한한 사용자 단말기(UE) 밀도를 포함한 현실적인 전파 조건이 네트워크 용량 스케일링에 미치는 영향 분석하기.
• 극도로 높은 밀도에서 동일한 시간/주파수 자원에 모든 기지국을 동시에 활성화하는 것이 여전히 최적인지 규명하기.
• 실제 제약 조건 하에서 UDN의 이론적 용량 스케일링 법칙 유도 및 최적 SSR 밀도 존재 여부 규명하기.

제안 방법

• 비제로 기지국-UE 안테나 높이 차이를 포함한 현실적인 전파 조건 하에서 UDN의 신호 및 간섭 전력 행동에 대한 이론적 분석.
• 유한한 UE 분포와 비이상적인 전파 기하학을 고려한 초고밀도 배치에서의 path loss 및 샤페링 효과 모델링.
• 기지국 밀도가 증가함에 따라 수신 신호 전력과 집합 간섭 전력의 渐近적 행동 유도.
• 유한한 UE 밀도와 비제로 높이 차이 조건 하에서 신호 및 간섭 전력의 유한성 규명 → 일정한 용량 스케일링 법칙 도출.
• 간섭 포화로 인해 기지국 밀도 증가에 비례해 네트워크 용량이 무한히 증가하지 않음을 수학적으로 증명.
• 스펙트럼 재사용 이득과 간섭 증가 간의 트레이드오프에서 유도된 최적 공간 스펙트럼 재사용-SSR 밀도 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국 밀도가 증가함에 따라 초고밀도 네트워크(UDN)에서 공간 스펙트럼 재사용-SSR에 근본적인 상한선이 존재하는가?
• RQ2 비제로 기지국-UE 안테나 높이 차이와 유한한 UE 밀도는 UDN에서 신호 및 간섭 전력의 스케일링 행동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 실제 전파 조건 하에서 UDN에 대해 일정한 용량 스케일링 법칙을 도출할 수 있는가?
• RQ4 모든 기지국을 동시에 활성화하는 것보다 최적의 활성 기지국 밀도가 존재하여 네트워크 용량을 최대화하는가?
• RQ5 간섭 및 신호 전력이 유한해질 경우 UDN의 스펙트럼 효율의 이론적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 비제로 기지국-UE 안테나 높이 차이와 유한한 UE 밀도를 포함한 현실 조건 하에서 UDN의 신호 및 간섭 전력은 유한해진다.
• 결과적으로 네트워크 용량은 기지국 밀도 증가에 비례해 무한히 증가하지 않고 일정하게 스케일링되며, 이는 일정한 용량 스케일링 법칙을 의미한다.
• 용량의 유한성은 동일한 시간/주파수 자원에 모든 기지국을 동시에 활성화하는 것이 극도로 높은 밀도에서 최적이 아님을 시사한다.
• 최적의 공간 스펙트럼 재사용-SSR 밀도가 존재하며, 이를 초과하면 간섭 증가가 스펙트럼 재사용 이득을 상쇄한다.
• 향후 초고밀도 네트워크 설계 및 운영 시 SSR의 이론적 한계를 고려해야 성능 저하를 방지할 수 있다.
• 더 높은 밀도 배치가 항상 더 높은 용량을 제공한다는 가정을 도전하며, UDN 배치 전략에서 중요한 트레이드오프를 드러낸다.