[논문 리뷰] Coverage Analysis of Two-Tier HetNets for Co-Channel, Orthogonal, and Partial Spectrum Sharing under Fractional Load Conditions

Praful D. Mankar, Goutam Das외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 19.

Advanced MIMO Systems Optimization인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 분할된 부하 조건 하에서 이중계층 이질망(HetNets)의 커버리지 확률을 분석하기 위해 매크로 기지국(MBSs)에 대해 포아송 점 프로세스(PPP)와 피크셀 클러스터 프로세스(PCP)를 사용한 복합 스토케스틱 기하 모델을 제안한다. 이는 동일 대역, 정렬, 부분 스펙트럼 공유 모드를 평가하며, FAP에서의 지능형 채널 접근이 간섭을 줄여 커버리지 성능을 크게 향상시키며, 특히 현실적인 클러스터링된 배치와 부하 조건에서 부분 공유가 가장 우수한 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

In heterogeneous networks, the random deployment of femto access points (FAPs) and macro base stations (MBSs) with uncoordinated channel access impose huge inter-tier interferences. In real-life networks, the process of MBSs deployment exhibits the homogeneity, however the FAPs have the behavioral characteristic of clusters formation like in malls, apartments, offices, etc. Therefore, the composite modeling of the MBSs and the FAPs using Poisson point process and Poisson cluster process is employed for the evaluation of coverage probability. The scenario of the real-time traffic for macro-tier and the best-effort traffic for femto-tier is considered. Cognition is introduced in the clustered FAPs to control the inter-tier interference. Furthermore, the impact of macro-tier load is analyzed by exploiting the inherent coupling between coverage probability and activity factor of an MBS. Further, we study the effect of co-channel, orthogonal, and partial spectrum sharing modes on the coverage for given parameters like load condition, FAPs/MBSs density, etc. We provide simulation validation for the derived expressions of coverage and present an comparative analysis for the mentioned spectrum sharing modes.

연구 동기 및 목표

• 무작위로 배치된 피크셀 액세스 포인트(FAPs)와 매크로 기지국(MBSs)으로 인한 이계층 간 간섭 문제를 해결하기 위해.
• MBSs는 균일한 분포를, FAPs는 클러스터링된 배치를 반영하기 위해 각각 포아송 점 프로세스(PPP)와 포아송 클러스터 프로세스(PCP)를 사용해 이질적 배치 행동을 모델링하기 위해.
• 분할된 부하 조건 하에서 동일 대역, 정렬, 부분 공유와 같은 다양한 스펙트럼 공유 모드가 커버리지 확률에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 전역적인 매크로 수준의 협조 없이 지역 정보를 기반으로 FAP 수준에서 지능형 채널 접근을 도입해 이계층 간 간섭을 완화하기 위해.
• MBS 활동 계수와 커버리지 확률 사이의 정량적 연관성을 확립하여 실제 트래픽 부하 변화 상황에서도 분석이 가능하도록 하기 위해.

제안 방법

• 커버리지 제공를 위해 균일하고 광범위하게 배치된 MBSs를 균일한 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링한다.
• 주택, 상업 및 사무소 환경에서의 클러스터링된 배치 행동을 반영하기 위해 FAPs를 포아송 클러스터 프로세스(PCP)로 모델링한다.
• PCP의 확률 생성 기능(PGFL)과 클러스터 크기의 포아송 분포에 대한 모멘트 생성 기능(MGF)을 사용해 FAPs에서 매크로 사용자로의 집합 간섭의 라플라스 변환을 유도한다.
• MBS 활동 계수를 커버리지 확률과 연결하는 커플링 모델을 통해 분할된 부하 조건을 통합함으로써 동적 트래픽 부하 하에서도 분석이 가능하도록 한다.
• 지역 간섭 조건을 기반으로 스펙트럼 접근을 모델링함으로써 FAP에서 지능형 채널 접근을 적용해 매크로 사용자로의 동일 대역 간섭을 줄인다.
• 스토케스틱 기하학과 라플라스 변환 기법을 사용해 동일 대역, 정렬, 부분 스펙트럼 공유 모드 하에서 커버리지 확률의 폐쇄형 근사식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PPP-PCP 복합 모델은 기존의 PPP 전용 모델에 비해 이중계층 HetNets에서 커버리지 확률 분석의 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 분할된 부하 조건 하에서 FAP의 클러스터링은 매크로-피크셀 네트워크에서 이계층 간 간섭과 커버리지 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실제 배치 및 부하 조건 하에서 동일 대역, 정렬, 부분 공유 모드는 커버리지 성능 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 전역 네트워크 협조 없이 FAP 수준에서의 지능형 채널 접근은 이계층 간 간섭을 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ5 MBS 활동 계수는 커버리지 확률에 어떤 영향을 미치며, 이러한 커플링은 어떻게 부하 인식 네트워크 최적화에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 복합 PPP-PCP 모델은 MBSs가 균일하게 분포하고 FAPs가 고밀도 지역에서 클러스터를 이룰 때 실제 HetNet 배치를 더 정확하게 반영한다.
• FAP에서의 지능형 채널 접근은 이계층 간 간섭을 줄여 매크로 계층의 커버리지 성능을 크게 향상시키며, 특히 높은 FAP 밀도와 부분 스펙트럼 공유 조건에서 두드러진다.
• 모든 시험된 부하 및 밀도 조건에서 부분 공유가 동일 대역 및 정렬 공유를 모두 능가하는 최고의 커버리지 확률을 달성한다. 이는 간섭 관리가 더 우수하기 때문이다.
• 유도된 커버리지 확률 식은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 다양한 네트워크 파라미터 하에서 이론적 근사와 밀도 있는 일치를 보였다.
• MBS 활동 계수와 커버리지 확률 간의 커플링은 동적 부하 인식 최적화를 가능하게 하며, MBS 부하가 증가함에 따라 간섭 수준이 높아져 커버리지가 감소함을 보여준다.
• 라플라스 변환 간섭에 대한 젠센 부등식과 지수 경계를 사용한 근사 방법은 해석 가능하고 정확한 결과를 도출하여 실용적인 구현 통찰을 제공한다.