[논문 리뷰] Flexible Dual-Connectivity Spectrum Aggregation for Decoupled Uplink and Downlink Access in 5G Heterogeneous Systems

María A. Lema, Enric Pardo외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 28.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 27인용 수 50

한 줄 요약

이 논문은 5G 이질적 네트워크에서 사용자가 수신 전력의 최댓값 기반으로 업링크(UL) 및 다운링크(DL)에 대해 서로 다른 소셀을 연결할 수 있도록 허용함으로써 분리된 업링크 및 다운링크 액세스를 가능하게 하는 유연한 이중 연결 스펙트럼 집합 기법을 제안한다. 스토하스틱 기하학을 사용하여, 저자들은 연결 영역을 유도하고, 기존의 다운링크 기반 세포 연결 방식에 비해 특히 세포 경계 상황에서 업링크 용량과 스펙트럼 효율성이 크게 향상됨을 보여준다.

ABSTRACT

Maintaining multiple wireless connections is a promising solution to boost capacity in fifth-generation (5G) networks, where user equipment is able to consume radio resources of several serving cells simultaneously and potentially aggregate bandwidth across all of them. The emerging dual connectivity paradigm can be regarded as an attractive access mechanism in dense heterogeneous 5G networks, where bandwidth sharing and cooperative techniques are evolving to meet the increased capacity requirements. Dual connectivity in the uplink remained highly controversial, since the user device has a limited power budget to share between two different access points, especially when located close to the cell edge. On the other hand, in an attempt to enhance the uplink communications performance, the concept of uplink and downlink decoupling has recently been introduced. Leveraging these latest developments, our work significantly advances prior art by proposing and investigating the concept of flexible cell association in dual connectivity scenarios, where users are able to aggregate resources from more than one serving cell. In this setup, the preferred association policies for the uplink may differ from those for the downlink, thereby allowing for a truly decoupled access. With the use of stochastic geometry, the dual connectivity association regions for decoupled access are derived and the resultant performance is evaluated in terms of capacity gains over the conventional downlink received power access policies.

연구 동기 및 목표

• 사용자 장비(UE)의 전력 제약으로 인해 밀도가 높은 5G 이질적 네트워크에서 업링크 용량이 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 업링크 및 다운링크 연결에 모두 다운링크 수신 전력에 의존하는 기존의 세포 연결 기법이 최적의 성능을 내지 못하는 문제를 해결하기 위해.
• UE가 업링크 및 다운링크 전송에 대해 서로 다른 서비스 세포를 선택할 수 있도록 허용함으로써 업링크 및 다운링크의 민첩한, 분리된 세포 연결을 가능하게 하기 위해.
• 스토하스틱 기하학 모델링을 사용하여 제안된 민첩한 이중 연결 기법의 스펙트럼 효율성 및 시스템 용량 측면에서의 성능 향상을 평가하기 위해.
• 각 링크의 최대 수신 전력 기반 연결 규칙이 특히 세포 경계에서 업링크 성능과 공정성을 크게 향상시킴을 보여주기 위해.

제안 방법

• 저자들은 매크로셀(MCells)과 스몰셀(SCells)의 공간 분포를 나타내기 위해 포아송 점 프로세스를 사용하여 5G 이질적 네트워크를 모델링한다.
• UE가 가장 가까운 MCell과 두 개의 SCell에 비해 상대적인 거리에 따라 다섯 가지 다른 케이스를 기반으로 연결 영역과 확률을 유도한다. 이때 경로 손실 및 전력 이득 요소를 고려한다.
• 스토하스틱 기하학을 사용하여, 다양한 연결 규칙 하에서 서비스 세포까지의 거리의 누적분포함수(CDF) 및 밀도함수(PDF)를 계산한다.
• 제안된 분리된 연결 정책 하에서 다운링크 및 업링크 스펙트럼 효율성에 대한 닫힌 형태의 수식을 유도함으로써 시스템 성능을 평가한다.
• 백홀 제약과 전력 제약을 고려하여, 특히 이중 연결 환경에서의 업링크 전송 효율성에 중점을 둔 분석을 수행한다.
• 제안된 방법은 업링크 및 다운링크에 대해 별도의 서비스 세포를 선택할 수 있도록 하여, 민첩한 자원 집합을 통해 스펙트럼 효율성을 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 각 링크의 최대 수신 전력 기반으로 분리된 업링크 및 다운링크 세포 연결이 5G 이질적 네트워크에서 스펙트럼 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 유연한 이중 연결 환경에서 다수의 세포에 연결하는 사용자 장비의 분석적 연결 영역과 확률은 무엇인가?
• RQ3 제안된 기법은 업링크 용량과 공정성 측면에서 기존의 다운링크 기반 세포 연결 방식에 비해 어느 정도 우월한가?
• RQ4 경로 손실 지수와 전력 이득 요소는 이중 연결 환경에서의 분리된 업링크/다운링크 액세스 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 사용자 장비의 위치(특히 세포 경계에서의 위치)는 제안된 민감한 연결 정책의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 민감한 이중 연결 기법은 특히 세포 경계에 있는 사용자에게 기존의 다운링크 기반 세포 연결 방식에 비해 뚜렷한 업링크 용량 향상을 달성한다.
• 업링크 및 다운링크에 대해 각각 링크 기반 최대 수신 전력 기반 연결을 적용함으로써, 세포 반경 전역에서 더 높은 스펙트럼 효율성과 개선된 공정성을 확보할 수 있다.
• 스토하스틱 기하학 분석을 통해 분리된 액세스가 업링크 전력 비효율성을 줄여주며, 다운링크에 가장 적합하지 않은 세포라도 업링크에 더 강한 세포로 연결할 수 있도록 해줌을 확인하였다.
• 다양한 연결 사례 하에서 서비스 세포까지의 거리에 대한 유도된 누적분포함수(CDF) 및 밀도함수(PDF) 수식은 제안된 기법의 정확한 성능 평가를 가능하게 한다.
• 수치 결과는 업링크 전력 제약이 심한 상황에서 특히 민감한 연결 정책이 기존의 전통적 기법보다 시스템 용량 측면에서 뛰어난 성능을 발휘함을 보여준다.
• 업링크 간섭과 경로 손실이 주요 제약 요소가 되는 고밀도 스몰셀 배포 환경에서 성능 향상이 가장 두드러진다.