[논문 리뷰] Cell planning for mobility management in heterogeneous cellular networks

Arpan Chattopadhyay, Bartłomiej Błaszczyszyn외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 24.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이질적인 이중층 셀룰러 네트워크를 제안하며, 이는 이동 사용자를 매크로 기지국에만 전적으로 제공하여 핸드오프 빈도와 데이터 차단을 줄이고자 한다. 정적 사용자는 매크로 및 마이크로 기지국 양쪽에서 서비스를 받는다. 스토하스틱 기하학을 사용하여, 스펙트럼 효율성 및 전력 제약 조건 하에서 두 사용자 유형의 최대 총역을 달성하기 위한 최적의 전력 수준과 매크로 기지국 비율을 유도한다. 이는 특정 조건 하에서 동질적 네트워크 설계가 최적임을 보여준다.

ABSTRACT

In small cell networks, high mobility of users results in frequent handoff and thus severely restricts the data rate for mobile users. To alleviate this problem, we propose to use heterogeneous, two-tier network structure where static users are served by both macro and micro base stations, whereas the mobile (i.e., moving) users are served only by macro base stations having larger cells; the idea is to prevent frequent data outage for mobile users due to handoff. We use the classical two-tier Poisson network model with different transmit powers (cf [1]), assume independent Poisson process of static users and doubly stochastic Poisson process of mobile users moving at a constant speed along infinite straight lines generated by a Poisson line process. Using stochastic geometry, we calculate the average downlink data rate of the typical static and mobile (i.e., moving) users, the latter accounted for handoff outage periods. We consider also the average throughput of these two types of users defined as their average data rates divided by the mean total number of users co-served by the same base station. We find that if the density of a homogeneous network and/or the speed of mobile users is high, it is advantageous to let the mobile users connect only to some optimal fraction of BSs to reduce the frequency of handoffs during which the connection is not assured. If a heterogeneous structure of the network is allowed, one can further jointly optimize the mean throughput of mobile and static users by appropriately tuning the powers of micro and macro base stations subject to some aggregate power constraint ensuring unchanged mean data rates of static users via the network equivalence property (see [2]).

연구 동기 및 목표

• 소셀 네트워크에서 빈번한 핸드오프로 인해 발생하는 심각한 총역 저하 문제를 해결하기 위해.
• 이동 사용자를 매크로 기지국에만 제공하는 이질적 네트워크 아키텍처를 설계하여 핸드오프 빈도와 데이터 차단을 줄이기 위해.
• 매크로 및 마이크로 기지국의 전송 전력을 공동으로 최적화하고 매크로 기지국 비율을 조정하여 이동 및 정적 사용자 양쪽의 평균 총역을 최대화하기 위해.
• 총 전력 제약 조건 하에서 정적 사용자의 평균 데이터 전송률을 유지하기 위해 네트워크 등가성질을 활용하기 위해.
• 이동성 인식 셀 계획에서 사용자 성능을 평가하기 위한 스토하스틱 기하학 기반 분석 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 매크로 및 마이크로 기지국이 서로 다른 전송 전력을 가지는 두 계층의 포아송 과정으로 네트워크를 모델링한다.
• 정적 사용자는 동질적 포아송 점 프로세스를 따르며, 이동 사용자는 일정 속도로 포아송 라인 프로세스에 의해 생성된 무작위 직선을 따라 이동한다고 가정한다.
• 스토하스틱 기하학을 사용하여 핸드오프 차단 기간을 고려한 일반 이동 및 정적 사용자의 평균 다운링크 데이터 전송률을 계산한다.
• 사용자 총역을 기지국당 동시에 서비스하는 사용자 수의 평균 수에 대한 데이터 전송률로 정의한다.
• 집합 전력 제약 조건 하에서 매크로 기지국 비율과 전송 전력을 공동으로 조정하기 위해 제약 조건이 있는 최적화 프레임워크를 적용한다.
• 정적 사용자 데이터 전송률을 유지하면서 이동 사용자 성능을 최적화하기 위해 네트워크 등가성질을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질적 네트워크에서 이동 사용자의 핸드오프 관련 데이터 차단을 최소화하기 위한 매크로 기지국 비율은 무엇인가?
• RQ2 사용자 이동 속도와 네트워크 밀도는 이동 사용자의 핸드오프 빈도와 데이터 전송률 간의 트레이드오프에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이동 사용자에게 매크로 기지국 전용 서비스를 제공하는 이질적 네트워크 아키텍처는 동질적 소셀 배포 대비 전체 시스템 총역을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 이동 및 정적 사용자 총역을 균형 있게 유지하기 위해 동질적 네트워크 설계(동일한 전력 수준)가 최적일 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ5 사용자 속도 분포 및 기지국 밀도의 선택은 최적의 셀 계획 전략에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이동 사용자 속도, 핸드오프 시간, 네트워크 밀도의 제곱근의 곱이 크면, 핸드오프 빈도와 차단을 줄이기 위해 이동 사용자를 기지국의 일부로 제한하는 것이 최적이다.
• 고속 이동 사용자 또는 고밀도 네트워크의 경우, 이동 사용자를 매크로 기지국 전용으로 제공하면 핸드오프 관련 차단을 최소화하여 평균 데이터 전송률을 크게 향상시킨다.
• 정적 사용자 총역에 대한 가중치가 높을 경우, 이동 사용자 전송률이 전력 및 비율 파ameter에 민감하기 때문에 최적 설계가 종종 동질적 네트워크(매크로 및 마이크로 기지국 전력 수준 동일)가 된다.
• 네트워크 등가성질을 통해 정적 사용자 데이터 전송률을 유지하면서 전력 및 기지국 비율 조정을 통해 이동 사용자 성능을 최적화할 수 있다.
• 수치 결과는 핸드오프 신호 전송 및 차단이 감소함에 따라 매크로 기지국이 더 큰 세포 크기를 가짐에도 불구하고 이동 사용자 총역을 향상시킬 수 있음을 보여준다.
• 최적의 해는 사용자 밀도, 이동 속도, 최대 전송 전력 및 기지국 가용성과 같은 시스템 제약 조건에 따라 달라진다.