[논문 리뷰] Energy-Efficient Design of MIMO Heterogeneous Networks with Wireless Backhaul

Howard H. Yang, Giovanni Geraci외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 18.

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering참고 문헌 52인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 무선 백홀을 갖춘 이중계층 MIMO 이질적 네트워크에서 에너지 효율성을 분석하기 위해 확률적 기하학 기반 프레임워크를 제안한다. 상行 및 하행 전송을 모두 고려하며, 액세스 링크와 백홀 링크 간 최적의 대역폭 할당이 고부하 조건에서 특히 에너지 효율을 크게 향상시킨다는 것을 보여준다. 또한 MIMO 백홀은 기존의 단일계층 네트워크보다 이질적 네트워크의 에너지 효율을 상당히 향상시킬 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

As future networks aim to meet the ever-increasing requirements of high data rate applications, dense and heterogeneous networks (HetNets) will be deployed to provide better coverage and throughput. Besides the important implications for energy consumption, the trend towards densification calls for more and more wireless links to forward a massive backhaul traffic into the core network. It is critically important to take into account the presence of a wireless backhaul for the energy-efficient design of HetNets. In this paper, we provide a general framework to analyze the energy efficiency of a two-tier MIMO heterogeneous network with wireless backhaul in the presence of both uplink and downlink transmissions. We find that under spatial multiplexing the energy efficiency of a HetNet is sensitive to the network load, and it should be taken into account when controlling the number of users served by each base station. We show that a two-tier HetNet with wireless backhaul can be significantly more energy efficient than a one-tier cellular network. However, this requires the bandwidth division between radio access links and wireless backhaul to be optimally designed according to the load conditions.

연구 동기 및 목표

• 무선 백홀을 갖춘 이중계층 MIMO 이질적 네트워크에서 에너지 효율성에 대한 일반적인 분석 프레임워크를 개발하는 것.
• 신호 처리 및 간섭에서 비롯하는 전력 소비를 포함하여 무선 백홀이 네트워크 에너지 효율성에 미치는 영향을 모델링하고 정량화하는 것.
• 밀도가 높은 이질적 네트워크 배치에서 네트워크 부하 및 사용자 연결 방식이 에너지 효율성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 최대 에너지 효율성을 위해 무선 액세스 링크와 백홀 링크 간 대역폭 할당을 최적화하는 것.
• MIMO 기반 무선 백홀이 기존의 전통적인 셀룰러 네트워크에 비해 전반적인 네트워크 에너지 효율성을 상당히 향상시킬 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 마크로 기지국(MBS), 스몰 셀 액세스 포인트(SAP), 사용자 단말기(UE)의 위치를 상호 독립적인 동일한 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링한다.
• 확률적 기하학을 적용하여 무작위 구조를 갖는 대규모 이질적 네트워크에서 간섭과 커버리지 특성을 특성화한다.
• 랜덤 매트릭스 이론을 사용하여 제로포싱 예측 및 복합 기법 하에서 MIMO 채널 효과를 결정적으로 모델링한다.
• 라플라스 변환과 모멘트 생성 함수를 사용하여 액세스 링크 및 백홀 링크의 상행 및 하행 속도에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 에너지 효율 지표에 MBS, SAP, 백홀 링크의 전력 소비 모델을 통합한다.
• 경로 손실 분포에 따라 속도 표현식을 탈중립화하여 평균 구현 가능한 속도 및 에너지 효율을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무선 백홀의 존재가 이중계층 MIMO 이질적 네트워크의 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 네트워크 부하 조건에서 무선 액세스 링크와 백홀 링크 간 최적의 대역폭 분할은 무엇인가?
• RQ3 공간 다중화는 무선 백홀을 갖춘 이질적 네트워크에서 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 MIMO 백홀은 단일계층 셀룰러 네트워크에 비해 에너지 효율성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 부하 조건과 사용자 연결 전략은 네트워크의 전반적인 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MIMO 이질적 네트워크에서 무선 백홀을 갖춘 네트워크의 에너지 효율성은 네트워크 부하에 매우 민감하므로, 부하 인식 기반의 사용자 연결 및 자원 제어가 필수적이다.
• 액세스 링크와 백홀 링크 간 최적의 대역폭 할당은 고부하 조건에서 특히 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.
• MIMO 무선 백홀을 갖춘 이중계층 이질적 네트워크는 단일계층 셀룰러 네트워크보다 상당히 높은 에너지 효율성을 달성한다.
• 백홀 링크의 전력 소비는 마크로 기지국의 전력 소비와 유사하여 에너지 효율 설계에서 핵심 요소가 된다.
• 유도된 분석 프레임워크를 통해 간섭과 fading을 포함한 현실적인 네트워크 조건에서의 에너지 효율 예측이 정확하게 가능하다.
• MIMO 백홀 링크에서 제로포싱 예측 및 복합 기법을 사용할 경우, 신호 대 간섭 및 소음비(SINR) 표현식이 점점 결정적으로 수렴하게 되어 분석이 가능해진다.