[논문 리뷰] Efficiency Analysis of Decoupled Downlink and Uplink Access in Heterogeneous Networks

Katerina Smiljkovikj, Liljana Gavrilovska외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 04.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시키기 위해 분리된 다운링크 및 업링크 액세스를 결합한 이중 계층 이질 셀룰러 네트워크를 제안한다. 스투흐라스틱 기하학을 사용하여 저자들은 동시 연결 확률과 거리 분포를 유도하며, 대역폭이나 전송 전력 증가 없이도 적응형 전력 제어를 통한 분리 액세스가 시스템 효율성을 향상시킴을 보여준다.

ABSTRACT

This paper analyzes two-tier heterogeneous cellular network with decoupled downlink and uplink access. The basic performance benefits of uplink/downlink decoupling have been recently introduced. Here we provide a more elaborate treatment of the decoupling mechanism by analyzing spectral and energy efficiency of the system, as the joint improvement of these two features is crucial for the upcoming 5G systems. Contrary to the common assumption of a homogeneous user domain, we analyze two-tier user domain, whose transmit powers depend purely on the association process. The derived joint association probabilities and the distributions of the distance to the serving base station give deeper insight into the fundamentals of a system with decoupled access. The rigorous theoretical analysis shows that decoupling of downlink and uplink with two-level uplink power adaptation improves both, spectral and energy efficiency of the system.

연구 동기 및 목표

• 이중 계층 이질 네트워크에서 분리된 다운링크 및 업링크 액세스의 성능을 분석하기 위해.
• 분리된 액세스와 전력 적응 하에서 스펙트럼 및 에너지 효율성의 동시 영향을 평가하기 위해.
• 전송 전력이 사용자 할당 과정에 따라 달라지는 이질적 사용자 도메인을 모델링하기 위해.
• 밀도가 높고 사용자가 집중된 환경에서 업링크 전력 적응이 시스템 수준 성능 지표에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 5G 효율성 목표를 달성하기 위해 분리된 액세스 시나리오에서 업링크 전력 최적화를 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 기지국(MBSs 및 SBSs)과 사용자를 위한 동질적 포아송 점 프로세스(PPP)를 사용하여 네트워크를 모델링한다.
• 유형 사용자를 원점에 놓고 분석하기 위해 슬리브니아크의 정리를 적용하여 분석이 가능한 스투흐라스틱 기하학 분석을 가능하게 한다.
• 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR)과 경로 손실 기반으로 다운링크 및 업링크의 동시 연결 확률을 유도한다.
• 수신 기지국 유형에 따라 조정되는 $ Q_M $ 및 $ Q_S $를 사용하는 이중 업링크 전력 적응 방식을 도입한다.
• 유도된 거리 분포를 사용하여 다양한 전력 적응 전략 하에서 스펙트럼 및 에너지 효율성 지표를 계산한다.
• 세 가지 시스템 구성: 분리 없음, 분리 없이 전력 적응 없음, 분리와 이중 전력 적응.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분리된 다운링크 및 업링크 액세스는 이중 계층 이질 네트워크에서 스펙트럼 및 에너지 효율성의 동시 영향을 어떻게 미치는가?
• RQ2 고정 또는 전력 적응 없음과 비교할 때 이중 업링크 전력 적응은 시스템 수준 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존의 할당 방식과 비교하여 분리 액세스 하에서 서비스 기지국으로의 할당 확률과 거리 분포는 어떻게 다른가?
• RQ4 어떤 매개변수 영역에서 분리 액세스와 전력 적응이 스펙트럼 및 에너지 효율성 측면에서 기존 시스템을 초월하는가?
• RQ5 $ Q_S/Q_M $ 비율이 분리 액세스 하에서 성능 향상에 기여하는 방식은 $ P_S/P_M $ 과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 분리된 다운링크 및 업링크 액세스는 대역폭이나 전송 전력 증가 없이도 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시킨다.
• 이중 업링크 전력 적응을 적용한 시스템은 분리만 적용된 시스템이나 분리 없이 적용된 시스템보다 더 높은 평균 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 에너지 효율성은 업링크 전송 전력 $ Q_M $ 및 $ Q_S $ 의 절대값에 의존하지만, 스펙트럼 효율성은 그 비율에만 의존한다.
• $ Q_M > Q_S $ 인 영역이 존재하며, 이는 동시에 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시키는 것으로 나타나 유리한 운영 지점임을 시사한다.
• 동일한 전송 전력 조건에서도 분리된 시스템의 평균 에너지 효율성은 비분리 시스템보다 항상 뛰어나며, 이는 더 높은 스펙트럼 효율성 덕분이다.
• 제안된 모델은 분리 액세스와 전력 적응을 통해 부하 균형을 맞추고 커버리지 제한 지역의 사용자 성능을 향상시켜 공정성을 제공한다.