[논문 리뷰] Capacity and Delay Tradeoff of Secondary Cellular Networks with Spectrum Aggregation

Lingyu Chen, Chen Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 28.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 40인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 집합 기반 2차 세포망에서 용량-지연 간 상충관계를 분석하기 위해 확률적 기하학과 대기 이론을 기반으로 한 분석 프레임워크를 제안한다. 평균 지연과 지연 분포에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여, 사용자당 총역도가 사용자 대 기지국 밀도 비율의 로그 함수로 제한됨을 밝혀내며, 대역폭과 액세스 확률을 균형 있게 조정함으로써 최적의 스펙트럼 할당이 가능함을 보여준다.

ABSTRACT

Cellular communication networks are plagued with redundant capacity, which results in low utilization and cost-effectiveness of network capital investments. The redundant capacity can be exploited to deliver secondary traffic that is ultra-elastic and delay-tolerant. In this paper, we propose an analytical framework to study the capacity-delay tradeoff of elastic/secondary traffic in large scale cellular networks with spectrum aggregation. Our framework integrates stochastic geometry and queueing theory models and gives analytical insights into the capacity-delay performance in the interference limited regime. Closed-form results are obtained to characterize the mean delay and delay distribution as functions of per user throughput capacity. The impacts of spectrum aggregation, user and base station (BS) densities, traffic session payload, and primary traffic dynamics on the capacity-delay tradeoff relationship are investigated. The fundamental capacity limit is derived and its scaling behavior is revealed. Our analysis shows the feasibility of providing secondary communication services over cellular networks and highlights some critical design issues.

연구 동기 및 목표

• 기존 인프라를 활용해 2차적이고 초탄성 트래픽을 가능하게 하여 세포망에서의 여유 네트워크 용량이 낭비되는 문제를 해결하기 위해.
• 스펙트럼 집합을 활용한 2차 트래픽에 대한 기본적인 용량-지연 상충관계를 분석하기 위해 스토하스틱 기하학과 대기 이론을 융합한 계층 간 프레임워크를 모델링하고 분석하기 위해.
• 스펙트럼 집합, 사용자 및 기지국 밀도, 세션 페이로드, 주요 트래픽 동역학이 2차 트래픽 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 간섭 제한 조건 하에서의 기본 용량 한계와 그 스케일링 행동을 유도하기 위해.
• 지연 제약 조건을 충족시키면서 2차 서비스 총역도를 최대화하기 위한 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 프레임워크는 사용자 및 기지국의 공간 분포를 모델링하기 위해 스토하스틱 기하학을, 세션 수준의 트래픽 행동을 모델링하기 위해 대기 이론을 통합한다.
• 사용자와 기지국이 포아송 분포를 따른다고 가정하며, 활성 사용자는 커버리지 영역과 대역폭 할당에 따라 랜덤으로 대역을 선택한다.
• 엄격한 공정성 가정과 간섭 사용자 분포를 바탕으로 각 사용자당 액세스 확률을 유도하여 감마 함수를 포함한 폐쇄형 표현식을 도출한다.
• 통과 용량은 유한한 지연 조건 하에서 지원할 수 있는 평균 트래픽 도착률로 정의되며, 유효 대역폭 개념과 대기 지연 분석을 통해 도출된다.
• 다중 대역 스펙트럼 집합을 고려하며, 시스템 대역폭은 N개의 대역으로 나뉘며 각 대역은 독립적인 대역폭과 path loss를 가진다.
• 대역폭 당 대역폭과 액세스 확률 간의 상충관계를 고려하여, 용량을 최대화하는 최적의 대역 수 N을 찾기 위해 수치 최적화를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 세포망에서 스펙트럼 집합은 2차 탄성 트래픽의 용량-지연 상충관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 간섭 제한 조건 하에서 2차 트래픽의 기본 용량 한계는 무엇인가?
• RQ3 사용자 및 기지국 밀도는 실현 가능한 총역도와 지연 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 2차 사용자 용량을 최대화하기 위해 최적의 스펙트럼 대역 수는 얼마이며, 이는 사용자 대 기지국 밀도 비율에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 세션 크기와 동적 스케줄링은 저지연 영역에서 용량-지연 상충관계에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 1Hz당 사용자당 총역도는 상한선이 존재하며, 사용자 대 기지국 밀도 비율의 로그 비율에 비례하여 비선형적으로 감소한다.
• 최대 실현 가능한 용량에 대한 폐쇄형 근사식이 도출되었으며, $ C^{* ext{max}}_{II} \triangleq 0.6359 - 0.052 \times \log_2(\lambda_u / \lambda_b) $ 로 표현되며, $ 2 < \lambda_u / \lambda_b < 500 $ 범위에서 유효하다.
• 고정된 시스템 대역폭에서 용량은 대역 수 N이 증가함에 따라 처음에는 증가하지만, 대역당 대역폭 감소로 인해 결국 감소함을 보여주며, 이는 최적의 N 값이 존재함을 시사한다.
• N이 증가함에 따라 단일 대역 용량은 대역폭 감소로 인해 감소하지만, 가용 대역 수 증가로 인해 액세스 확률은 증가하여 상충관계가 발생한다.
• 스펙트럼 집합은 주로 고지연 영역에서 용량에 영향을 미치며, 반면 세션 크기 관리와 동적 스케줄링은 저지연 영역에서 더 큰 영향을 미친다.
• 유도된 용량 한계는 사용자 대 기지국 밀도 비율에 대해 로그 스케일링을 보이며, 고밀도에서 수익 감소 현상이 나타남을 시사한다.