[논문 리뷰] Coverage and capacity scaling laws in downlink ultra-dense cellular networks

Van Minh Nguyen, Marios Kountouris|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 10.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중 기울기 경로 손실과 일반적인 fading 분포를 고려한 포아송 점 프로세스 모델을 사용하여 초고밀도 무선 통신망의 다운링크 커버리지 및 용량 스케일링 법칙을 분석한다. near-field 경로 손실이 약하거나 fading이 가벼운 尾를 가질 경우, 밀도가 증가함에 따라 커버리지 및 용량이 '역 U자' 형태로 변화하며 고밀도에서 성능 저하가 발생함을 드러내며, 이는 네트워크 밀도화의 근본적인 한계를 보여주며, 추가로 배치를 늘릴 경우 성능에 악영향을 미칠 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Driven by new types of wireless devices and the proliferation of bandwidth-intensive applications, data traffic and the corresponding network load are increasing dramatically. Network densification has been recognized as a promising and efficient way to provide higher network capacity and enhanced coverage. Most prior work on performance analysis of ultra-dense networks (UDNs) has focused on random spatial deployment with idealized singular path loss models and Rayleigh fading. In this paper, we consider a more precise and general model, which incorporates multi-slope path loss and general fading distributions. We derive the tail behavior and scaling laws for the coverage probability and the capacity considering strongest base station association in a Poisson field network. Our analytical results identify the regimes in which the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) either asymptotically grows, saturates, or decreases with increasing network density. We establish general results on when UDNs lead to worse or even zero SINR coverage and capacity, and we provide crisp insights on the fundamental limits of wireless network densification.

연구 동기 및 목표

• 이dealized 모델을 초월하여 현실적인 전파 조건 하에서 초고밀도 네트워크(Ultra-Dense Networks, UDNs)의 근본적인 성능 한계를 조사하기 위해.
• 이전 연구에서 다루지 않은 다중 기울기 경로 손실과 일반적인 fading 분포를 도입하여 기존의 단일 경로 손실 및 레일리 fading을 대체하기 위해.
• 네트워크 밀도 증가가 SINR 커버리지 및 시스템 용량에 개선, 포화 또는 악화를 초래하는 조건을 규명하기 위해.
• 커버리지 및 용량이 밀도 증가에 따라 계속 증가하지 않고 유한한 밀도에서 최대가 되는 영역을 식별하기 위해.

제안 방법

• 기지국 위치를 d차원 평면상의 동질적 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링한다.
• 근거리 영역(β₀)과 원거리 영역(βₖ)에서 서로 다른 경로 손실 지수를 가진 다중 기울기 경로 손실 모델을 도입한다.
• 빠른 fading, 샤딩 또는 복합 fading을 모델링하기 위해 정규적으로 변화하는 尾를 가진 일반적인 fading 분포(예: α ∈ (0,1))를 사용한다.
• 수신 신호 전력 및 SINR의 꼬리 행동을 渐近 분석 및 정규 변화 이론을 통해 분석한다.
• 가장 강한 기지국에 대한 연결 조건 하에서 커버리지 확률 및 시스템 용량의 스케일링 법칙을 유도한다.
• 카라마타의 정리와 단조 밀도 정리를 적용하여 fading 및 간섭 분포의 점근적 행동을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 기울기 경로 손실은 초고밀도 네트워크에서 커버리지 확률 및 용량의 스케일링 행동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 네트워크 밀도를 증가시킬 경우, 언제 SINR 커버리지 및 시스템 용량이 감소하는가?
• RQ3 특히 정규적으로 변화하는 尾를 가진 일반적인 fading 분포(예: F̄ₘ ∈ R₋ᵅ)는 UDN의 성능 스케일링에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 네트워크 밀도화가 성능 포화 또는 악화를 초래하는 조건는 언제이며, 개선이 아닌가?
• RQ5 달성 가능한 커버리지 및 용량 측면에서 네트워크 밀도화의 근본적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 근거리 경로 손실 지수 β₀ < d(네트워크 차원)일 경우, 커버리지 및 용량은 밀도 증가에 따라 '역 U자' 형태로 변화하며, 유한한 밀도에서 최대에 도달한 후 저하된다.
• β₀ > d 이거나 fading이 무거운 꼬리(즉, F̄ₘ ∈ R₋ᵅ, α ∈ (0,1))일 경우, 밀도 증가에 따라 커버리지 및 용량은 유한한 상한선에 포화된다.
• 정규적으로 변화하는 fading 분포(F̄ₘ ∈ R₋ᵅ)는 경로 손실의 특이점과 동일한 악영향을 미치며, 고밀도에서 성능 붕괴를 초래한다.
• 경로 손실가 유한한 경우(β₀ = 0)는 β₀ < d의 특수한 경우이며, 이러한 경우 커버리지 및 용량은 모두 유한한 네트워크 밀도에서 최대가 된다.
• 모든 표준 fading 모델(Rayleigh, lognormal, Gamma 및 그 복합형)은 커버리지 및 용량이 유한한 밀도에서 최대가 되는 동일한 종류의 fading 분포에 속한다.
• β₀ > 0 이고 fading이 가벼운 꼬리(α₀ < α)일 경우, 커버리지 및 용량은 무한히 증가하는 밀도에서도 사라지지 않는 상수 상한선에 의해 제한된다.