[논문 리뷰] Generalized Carrier to Interference Ratio Analysis for the Shotgun Cellular System in Multiple Dimensions

Prasanna Madhusudhanan, Juan G. Restrepo외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 21.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 1차원, 2차원 또는 3차원 공간에서 비균일한 Possion 점 프로세스로 분포하는 기지국을 갖는 샷gun 셀룰러 시스템(Single-cell Systems, SCSs)에서 신호 대 인터퍼런스 더하기 노이즈비(SINR)에 대한 일반화된 분석 프레임워크를 제시한다. 임의의 fading 및 path-loss 모델 하에서 반분석적 커버리지 확률 표현식을 유도하며, 간섭이 지배적인 균일한 환경에서 거리 제곱 법칙에 따른 path-loss를 갖는 경우, SINR 분포가 fading 유형과 기지국 밀도에 영향을 받지 않는다는 것을 밝혀낸다.

ABSTRACT

In this paper, we analyze the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) performance at a mobile station (MS) in a random cellular network. The cellular network is formed by base-stations (BSs) placed in a one, two or three dimensional space according to a possibly non-homogeneous Poisson point process, which is a generalization of the so-called shotgun cellular system. We develop a sequence of equivalence relations for the SCSs and use them to derive semi-analytical expressions for the coverage probability at the MS when the transmissions from each BS may be affected by random fading with arbitrary distributions as well as attenuation following arbitrary path-loss models. For homogeneous Poisson point processes in the interference-limited case with power-law path-loss model, we show that the SINR distribution is the same for all fading distributions and is not a function of the base station density. In addition, the influence of random transmission powers, power control, multiple channel reuse groups on the downlink performance are also discussed. The techniques developed for the analysis of SINR have applications beyond cellular networks and can be used in similar studies for cognitive radio networks, femtocell networks and other heterogeneous and multi-tier networks.

연구 동기 및 목표

• 1D, 2D 또는 3D 공간에서 Possion 점 프로세스로 분포하는 기지국을 갖는 무작위 셀룰러 네트워크에서의 SINR 성능을 분석하기 위해.
• 임의의 fading 분포 및 path-loss 모델 하에서 커버리지 확률에 대한 일반적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 전송 전력의 무작위성, 전력 제어 및 채널 재사용과 같은 네트워크 파라미터가 다운링크 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 특히 간섭이 지배적인 균일한 네트워크 조건에서 SINR 분포의 분석적 불변성 성질을 확립하기 위해.
• 인지 무선 및 페트로셀 시스템을 포함한 이질적 및 다층 네트워크로의 분석 적용 범위를 확장하기 위해.

제안 방법

• 1차원, 2차원 또는 3차원 공간에서 비균일한 Possion 점 프로세스를 사용하여 기지국 위치를 모델링하기 위해.
• 다양한 네트워크 차원 간의 SINR 분석을 단순화하기 위해 샷gun 셀룰러 시스템(Single-cell Systems, SCSs)에 대한 등가 관계를 도출하기 위해.
• 임의의 fading 및 path-loss 모델을 통합한 반분석적 형태로 커버리지 확률를 표현하기 위해 스토케스틱 기하 기법을 사용하기 위해.
• 공간적으로 무작위로 분포하는 기지국으로부터 유도되는 간섭 전력의 분포를 특성화하기 위해 라플라스 변환 기법을 적용하기 위해.
• 간섭이 지배적인 환경에서 SINR 분포가 fading 분포 및 기지국 밀도에 영향을 받지 않는 조건을 확립하기 위해.
• 다운링크 분석에 있어 무작위 전송 전력, 전력 제어 및 다중 채널 재사용 그룹의 영향을 포함하기 위해 프레임워크를 확장하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 점 프로세스 모델 하에서, 공간 차원성(1D, 2D, 3D)이 샷gun 셀룰러 시스템의 커버리지 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 임의의 fading 분포 및 path-loss 모델이 SINR 분포 및 커버리지 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SINR 분포가 fading 분포 및 기지국 밀도에 영향을 받지 않는 조건은 무엇인가?
• RQ4 무작위 전송 전력 및 전력 제어 메커니즘은 간섭이 지배적인 네트워크에서 다운링크 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 유도된 분석 프레임워크는 인지 무선 또는 다층 이질적 네트워크와 같은 다른 네트워크 유형으로 얼마나 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 간섭이 지배적인 균일한 Possion 네트워크에서 거리 제곱 법칙에 따른 path-loss를 갖는 경우, SINR 분포는 fading 분포에 영향을 받지 않으며 기지국 밀도에 의존하지 않는다.
• 유도된 커버리지 확률 표현식은 반분석적 형태이며 임의의 fading 및 path-loss 모델에 적용 가능하므로 정밀한 성능 평가가 가능하다.
• SCSs에 대해 개발된 등가 관계는 다양한 공간 차원 간의 일관된 SINR 분석을 가능하게 하여 교차 차원 비교를 단순화한다.
• 무작위 전송 전력 및 전력 제어 메커니즘은 다운링크 커버리지에 상당한 영향을 미치며, 최적의 전력 제어 전략 하에서 성능 향상이 관찰된다.
• 프레임워크의 일반성 덕분에 인지 무선 네트워크, 페트로셀 배치 및 다층 이질적 네트워크로의 직접 적용이 가능하다.
• 분석 결과는 고간섭 환경에서 네트워크의 공간 차원성과 path-loss 지수가 성능를 지배하며, fading 특성이 SINR 분포 결정에 있어 무시할 수 있는 정도에 이르게 된다.