[논문 리뷰] Handover Management in Dense Cellular Networks: A Stochastic Geometry Approach

Rabe Arshad, Hesham ElSawy외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 28.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 18인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 스토하스틱 기하학 기반의 분석 프레임워크를 제안하여 초고밀도 셀룰러 네트워크에서 핸드오버(HO) 지연이 사용자 Throughput에 미치는 영향을 평가한다. 새로운 HO 스킵 기법을 도입하여 HO 신호 처리 오버헤드를 줄임으로써 평균 사용자 레이트를 향상시킨다. 분석 결과, 고밀도 기지국 환경에서 사용자 속도가 높을수록 경로 상에서 하나의 핸드오버를 스킵하는 것만으로도 성능 햖도가 크게 향상되며, 기존의 핸드오버 기법보다 높은 성능을 기록한다.

ABSTRACT

Cellular operators are continuously densifying their networks to cope with the ever-increasing capacity demand. Furthermore, an extreme densification phase for cellular networks is foreseen to fulfill the ambitious fifth generation (5G) performance requirements. Network densification improves spectrum utilization and network capacity by shrinking base stations' (BSs) footprints and reusing the same spectrum more frequently over the spatial domain. However, network densification also increases the handover (HO) rate, which may diminish the capacity gains for mobile users due to HO delays. In highly dense 5G cellular networks, HO delays may neutralize or even negate the gains offered by network densification. In this paper, we present an analytical paradigm, based on stochastic geometry, to quantify the effect of HO delay on the average user rate in cellular networks. To this end, we propose a flexible handover scheme to reduce HO delay in case of highly dense cellular networks. This scheme allows skipping the HO procedure with some BSs along users' trajectories. The performance evaluation and testing of this scheme for only single HO skipping shows considerable gains in many practical scenarios.

연구 동기 및 목표

• 초고밀도 셀룰러 네트워크에서 핸드오버 지연이 사용자 평균 레이트에 미치는 부정적 영향을 정량화하는 것.
• 스토하스틱 기하학을 활용해 핸드오버 지연을 핵심 성능 지표에 통합한 분석 모델을 개발하는 것.
• 신호 처리 오버헤드를 줄이고 장기적인 사용자 Throughput를 향상시키는 유연한 핸드오버 스킵 기법을 제안하고 평가하는 것.
• 핸드오버 빈도가 높은 밀도 높은 네트워크에서 성능 저하를 핸드오버 스킵 기법이 어떻게 완화할 수 있는지 입증하는 것.
• 기본 핸드오버 및 핸드오버 스킵 기법 하에서의 커버리지 확률 및 평균 Throughput에 대한 폐형 수식을 제공하는 것.

제안 방법

• 스토하스틱 기하학 분석을 가능하게 하기 위해 기지국 위치를 동질적 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링한다.
• 기본 핸드오버 및 핸드오버 스킵 기법 하에서 신호 대 간섭 비율(SINR) 기반의 커버리지 확률 및 평균 Throughput 수식을 유도한다.
• 간섭 분포를 계산하기 위해 간섭의 라플라스 변환과 PPP의 확률 생성 기능(PGFL)을 사용한다.
• 사용자가 경로 상에서 다음으로 최적의 서비스를 제공하는 기지국에 연결하는 것을 한 번 스킵하는 단일 핸드오버 스킵 메커니즘을 도입한다.
• 낮아진 커버리지 확률와 낮아진 핸드오버 신호 처리 지연에 기인한 향상된 평균 레이트 사이의 트레이드오프를 분석한다.
• 정적 SINR 수식이 이동 중 사용자 시뮬레이션과 대조되었을 때 성능 지표에서 동일한 결과를 보이며 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고밀도 기지국 밀도를 가진 초고밀도 셀룰러 네트워크에서 핸드오버 지연은 사용자 평균 레이트를 어떻게 떨어뜨리는가?
• RQ2 핸드오버 스킵 기법은 빈번한 핸드오버로 인한 성능 손실을 어느 정도 완화할 수 있는가?
• RQ3 핸드오버를 스킵할 경우 커버리지 확률과 평균 사용자 레이트 사이의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ4 사용자 속도는 핸드오버 스킵 기법의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 스토하스틱 기하학을 통해 유도된 수학적 수식은 밀도 높은 네트워크에서 이동 중 사용자의 성능을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 기지국 밀도가 70 BS/km²일 경우, 사용자 속도가 40 km/h를 초과하면 2초의 핸드오버 지속 시간에서 핸드오버 스킵 기법이 기존 핸드오버 기법보다 우월하다.
• 0.7초의 핸드오버 지속 시간에서는 사용자 속도가 110 km/h를 초과할 경우 핸드오버 스킵 기법의 성능 향상이 관찰된다.
• 제안된 핸드오버 스킵 기법은 약간의 커버리지 확률 감소에도 불구하고 장기적인 평균 사용자 Throughput 향상을 이룬다.
• 정적 PPP 기반의 분석 모델은 모든 네트워크 실현에서 이동 중 사용자의 SINR 성능을 정확히 캡처한다.
• 사용자 속도가 높을수록 핸드오버 지연의 상대적 영향이 감소함에 따라 핸드오버 스킵 기법의 성능 향상이 증가한다.
• 수학적 프레임워크는 특수한 경우에 대해 커버리지 확률 및 평균 Throughput에 대한 폐형 수식을 도출하여 효율적인 성능 평가를 가능하게 한다.