[논문 리뷰] Error Performance Analysis to Increase Capacity of A Cellular System Using SDMA

Md. Murad Hossain, Jahangir Hossain|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 17.

Wireless Communication Networks Research참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 공간 다중접속(SDMA)과 스마트 안테나를 활용하여 공간 multiplexing를 이용해 셀룰러 시스템의 용량을 증가시키는 것을 제안한다. 5.1 dB의 직접성(directivity)을 가진 평탄한 상단 빔을 형성함으로써, 동일한 오류율 조건에서 옹방향 안테나 대비 200명의 사용자를 지원할 수 있으며, 이는 공간 재사용과 간섭 감소로 인해 네 배의 용량 향상 효과를 보여준다.

ABSTRACT

One of the biggest drawbacks of the wireless environment is the limited bandwidth. However, the users sharing this limited bandwidth have been increasing considerably.Space Division Multiple Access (SDMA) is a new technology by which the capacity of existing mobile communication systems can economically be increased. This paper has been presented how the capacity can be enhanced by using SDMA with smart antennas in mobile communications system. Based on Adaptive Antenna Array (AAA) technology the spatial dimension of the existing system is exploited by means of forming independent radio beams in each of the original channels. This paper analyses the comparison of average Bit Error Rate (BER) of SDMA and CDMA technique and the different ways in which SDMA can be introduced to increase the capacity of a cellular system. The probability of error is found for a standard omni directional base station antenna, and another set of curves is found for flat top beam having a directivity of 5.1dB. It is assumed that k separate flat top beams can be formed by base station and pointed each of the k users within the cell of interest. Noticing that for an average probability of error greater than 0.1 in a propagation path loss environment of n=4, the flat top beam will support 200 users, whereas the omni-directional antenna will support only 50 users. This increase the number of user is roughly equal to the directivity offered by the flat top beam system, and illustrates the promise SDMA offers for improving capacity in wireless system. Here multipath fading is not considered.

연구 동기 및 목표

• 스마트 안테나를 활용한 SDMA가 셀룰러 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 사용자 용량을 어떻게 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• fading이 없는, 경로 손실에 의해 제한되는 환경에서 SDMA와 CDMA 간의 비트 오류율(BER) 성능을 비교하기 위해.
• 방향성 안테나를 사용한 빔형성에 의해 달성 가능한 사용자 용량 향상 정도를 정량화하기 위해.
• 고정된 평균 BER 임계값 조건 하에서 빔의 직접성(5.1 dB)이 시스템 용량에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 스펙트럼 대역폭이나 전력 소모를 증가시키지 않고도 공간 분할을 통해 시스템 용량을 증가시킬 수 있는지의 타당성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 셀룰러 셀 내에서 다수의 독립적인 공간 빔을 형성하기 위해 적응형 안테나 어레이(AAA) 기술을 활용한다.
• 시스템을 k개의 평탄한 상단 빔으로 모델링하며, 각 빔은 특정 사용자 방향으로 향해 있어 사용자 간 간섭을 감소시킨다.
• 옹방향 안테나와 5.1 dB의 직접성을 가진 평탄한 상단 빔 간의 평균 BER을 분석한다.
• 경로 손실 모델을 가정하며, 경로 손실 지수 n = 4로 설정하고 다중 경로 패러딩을 고려하지 않는다.
• 평균 BER이 0.1 이하로 유지되는 조건 하에서 사용자 용량을 비교한다.
• 용량 향상도를 평탄한 상단 빔이 지원하는 사용자 수와 옹방향 안테나가 지원하는 사용자 수의 비율로 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선로 시야, 경로 손실에 의해 제한되는 환경에서, 방향성 빔형성 기반의 SDMA는 CDMA 대비 BER 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 BER 임계값이 0.1일 때, 5.1 dB의 직접성을 가진 평탄한 상단 빔 시스템이 지원할 수 있는 최대 사용자 수는 얼마인가?
• RQ3 스마트 안테나 기반의 SDMA 시스템의 사용자 용량은 기존의 옹방향 기지국 대비 어떻게 다른가?
• RQ4 대역폭을 증가시키지 않고도 빔의 직접성이 셀룰러 시스템의 용량 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 동일한 오류 성능 제약 조건 하에서 공간 재사용이 적용될 경우, SDMA가 CDMA 대비 이론적으로 달성할 수 있는 용량 향상은 얼마인가?

주요 결과

• 5.1 dB의 직접성을 가진 평탄한 상단 빔 시스템은 평균 BER이 0.1 이하일 경우 200명의 사용자를 지원할 수 있다.
• 반면, 옹방향 안테나는 동일한 BER 임계값 조건에서 오직 50명의 사용자만 지원할 수 있다.
• SDMA가 옹방향 시스템 대비 약 네 배의 용량 향상을 달성하며, 이는 빔의 직접성과 직접적인 비례 관계를 가진다.
• 이 향상은 다중 경로 패러딩을 모델링하지 않더라도 공간 재사용과 빔형성에 의한 간섭 감소 덕분이다.
• 결과적으로, 다중 경로가 없는 환경에서 SDMA가 공간 차원을 활용함으로써 시스템 용량을 크게 향상시킬 수 있음을 확인한다.
• 본 연구는 빔형성이 추가 스펙트럼이나 전력 소모 없이도 사용자 용량을 증가시킬 수 있음을 입증한다.