[논문 리뷰] Optimal Base Station Antenna Downtilt in Downlink Cellular Networks

Junnan Yang, Ming Ding외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 21.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 3차원 초밀도 다운링크 셀룰러 네트워크에서 신호 강도와 이웃셀 간 간섭을 균형 잡는 데 최적의 기지국(BS) 안테나 하향각을 결정하기 위한 분석 프레임워크를 제안한다. 경로 손실과 빔포밍 이득을 스토하스틱 기하학을 사용해 모델링함으로써, 커버리지 확률과 영역 스펙트럼 효율성(ASE)을 최대화하는 최적의 하향각에 대한 수치적으로 해결 가능한 표현식을 유도하였으며, BS 밀도 증가에 따라 ASE가 붕괴되는 현상을 거의 한 계급 정도 지연시켰다.

ABSTRACT

From very recent studies, the area spectral efficiency (ASE) performance of downlink (DL) cellular networks will continuously decrease and finally to zero with the network densification in a fully loaded ultra-dense network (UDN) when the absolute height difference between a base station (BS) antenna and a user equipment (UE) antenna is larger than zero, which is referred as the ASE Crash. We revisit this issue by considering the impact of the BS antenna downtilt on the downlink network capacity. In general, there exists a height difference between a BS and a UE in practical networks. It is common to utilize antenna downtilt to adjust the direction of the vertical antenna pattern, and thus increase received signal power or reduce inter-cell interference power to improve network performance. This paper focuses on investigating the relationship between the base station antenna downtilt and the downlink network capacity in terms of the coverage probability and the ASE. The analytical results of the coverage probability and the ASE are derived, and we find that there exists an optimal antenna downtilt to achieve the maximal coverage probability for each base station density. Moreover, we derive numerically solvable expressions for the optimal antenna downtilt, which is a function of the base station density. Our theoretical and numerical results show that after applying the optimal antenna downtilt, the network performance can be improved significantly. Specifically, with the optimal antenna downtilt, the ASE crash can be delayed by nearly one order of magnitude in terms of the base station density.

연구 동기 및 목표

• 기지국(BS)과 사용자 단말(UE) 안테나 사이에 고도 차이가 존재할 경우, BS 밀도가 증가함에 따라 영역 스펙트럼 효율성(ASE)이 0으로 감소하는 초밀도 네트워크(UDN)에서의 ASE 붕괴 현상을 다루기 위함.
• 3차원 스토하스틱 기하학 모델에서 안테나 하향각이 다운링크 네트워크 성능, 특히 커버리지 확률과 ASE에 미치는 영향을 분석하기 위함.
• 주어진 BS 밀도에서 커버리지 확률을 최대화하는 데 최적의 안테나 하향각에 대한 분석적으로 다룰 수 있는 표현식을 유도하기 위함.
• 최적의 하향각이 ASE 붕괴를 얼마나 지연시키고 실질적인 UDN 구현에서 전체 네트워크 용량을 어떻게 향상시키는지 정량화하기 위함.

제안 방법

• BS 위치를 포아송 점 프로세스로 모델링하고, 거리와 각도에 따라 변하는 경로 손실을 고려한 라인오브사이트(LoS) 및 라인오브사이트가 아닌(NLoS) 전파를 포함하여 3차원 셀룰러 네트워크를 모델링한다.
• UE와 BS 사이의 각도에 따라 달라지는 방향성 안테나 이득 패턴을 도입하며, 이를 가우시안 빔 패턴 함수 G(φ, θr, θtilt)로 모델링한다.
• LoS 및 NLoS 링크 기여도를 통합하여 커버리지 확률에 대한 닫힌 형태의 표현식을 유도하였으며, LoS 및 NLoS 간섭과 열노이즈를 모두 고려한다.
• 스토하스틱 기하학을 사용하여 집합 간섭의 라플라스 변환을 계산함으로써 신호 대 간섭+노이즈비(SINR)의 분석을 가능하게 한다.
• 커버리지 확률에 대한 하향각에 대한 도함수를 0으로 설정함으로써 최적의 하향각을 유도하였으며, 이는 노이즈, LoS 간섭, NLoS 간섭의 세 가지 구성요소를 포함하는 수치적으로 해결 가능한 방정식을 도출한다.
• 수치적 평가를 통해 분석 결과를 검증하였으며, 최적의 하향각 설정 시 ASE와 커버리지 확률 향상이 확인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 초밀도 네트워크에서 주어진 기지국 밀도에 대해 커버리지 확률을 최대화하는 데 최적의 기지국 안테나 하향각은 무엇인가?
• RQ2 안테나 하향각은 다운링크 셀룰러 네트워크에서 수신 신호 전력과 이웃셀 간섭 사이의 트레이드오���에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 비영인 BS-UE 고도 차이가 존재하는 초밀도 네트워크에서 최적의 안테나 하향각이 ASE 붕괴를 얼마나 지연시키거나 완화시킬 수 있는가?
• RQ4 LoS 및 NLoS 전파 조건이 함께 최적의 하향각과 네트워크 성능 지표에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 각 기지국 밀도에 대해 커버리지 확률을 최대화하는 유일한 최적의 하향각이 존재하며, 이는 신호 전력 이득과 간섭 감소 사이의 트레이드오프에 기인한다.
• 최적의 하향각은 노이즈, LoS 간섭, NLoS 간섭 구성요소의 기여를 반영한 BS 밀도의 수치적으로 해결 가능한 함수로 유도되었다.
• 최적의 하향각을 적용함으로써 네트워크 밀도 증가에 따른 ASE 붕괴(ASE가 0으로 감소) 현상이 기지국 밀도 기준으로 거의 한 계급 정도 지연되었다.
• 최적의 하향각 하에서 커버리지 확률과 ASE에 대한 분석 표현식을 유도하고 검증하였으며, 기존 고정 하향각 방식 대비 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 결과적으로, BS와 UE 안테나 간 고도 차이가 존재하는 실질적인 초밀도 네트워크에서 최적의 하향각을 통한 수직 빔포밍이 높은 스펙트럼 효율성을 유지하는 데 핵심적임을 입증하였다.