[논문 리뷰] Performance Impact of Base Station Antenna Heights in Dense Cellular Networks

Ming Ding, David López‐Pérez|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 17.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초고밀도 림계망(Ultradeeply Dense Networks, UDNs)에서 기지국(BS) 안테나가 사용자 단말기(UE) 안테나보다 높을 경우, BS 밀도가 증가함에 따라 네트워크 성능—특히 커버리지 확률과 영역 스펙트럼 효율성(Area Spectral Efficiency, ASE)—이 점점 0으로 감소하여 이전의 선형 ASE 스케일링 가정과 배치된다는 것을 드러낸다. 핵심 발견은 BS 안테나 높이를 UE 수준으로 낮추면 이 붕괴 현상을 완화하고 네트워크 용량을 복원할 수 있다는 것이다. 이는 BS 배치 아키텍처의 근본적 재설계가 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

In this paper, we present a new and significant theoretical discovery. If the absolute height difference between base station (BS) antenna and user equipment (UE) antenna is larger than zero, then the network performance in terms of both the coverage probability and the area spectral efficiency (ASE) will continuously decrease toward zero as the BS density increases for ultra-dense (UD) small cell networks (SCNs). Such findings are completely different from the conclusions in existing works, both quantitatively and qualitatively. In particular, this performance behavior has a tremendous impact on the deployment of UD SCNs in the 5th-generation (5G) era. Network operators may invest large amounts of money in deploying more network infrastructure to only obtain an even less network capacity. Our study results reveal that one way to address this issue is to lower the SCN BS antenna height to the UE antenna height. However, this requires a revolutionized approach of BS architecture and deployment, which is explored in this paper too.

연구 동기 및 목표

• 초고밀도 네트워크(Ultra-Dense Networks, UDNs)에서 기지국(BS) 안테나 높이가 네트워크 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• BS 밀도를 증가시킬수록 항상 영역 스펙트럼 효율성(ASE)이 향상된다는 오랜 가정을 도전하기 위해.
• BS 안테나가 사용자 단말기(UE) 안테나보다 높을 경우 UDN에서 성능 붕괴가 발생하는 근본 원인을 규명하기 위해.
• 성능 붕괴를 복원하고 UDN의 네트워크 용량을 회복하기 위한 새로운 배치 전략—즉, BS 안테나 높이를 UE 수준으로 낮추는 것—을 제안하기 위해.
• 스토하스틱 기하학과 3GPP 채널 모델을 활용해 성능 트레이드오프를 정량화하는 이론적 기반을 제공하기 위해.

제안 방법

• UDN을 동질적인 포아송 점 프로세스(Homogeneous Poisson Point Process, HPPP)로 모델링하고, 스토하스틱 기하학 기법을 적용한다.
• 선로 간 시선(Line-of-Sight, LoS) 및 비선로 간 시선(Non-Line-of-Sight, NLoS) 전파 조건을 고려한 현실적인 3GPP path loss 모델을 통합한다.
• 다양한 BS 및 UE 안테나 높이 차이 조건 하에서 커버리지 확률과 ASE에 대한 닫힌 형태의 수식을 유도한다.
• 적분의 취급 용이성을 향상시키기 위해 다음 근사 기법을 도입한다: $ w = \tilde{w} = \begin{cases} L, & 0 \to v_1 \\ \frac{r+L}{\bar{2}}, & v_1 \to v_2 \\ r, & r > v_2 \end{cases} $ \text{where } v_1 = (\bar{2}-1)L, v_2 = (\bar{2}+1)L \text{ (스위치 포인트)} \text{적분의 취급 용이성 향상} \text{집합 간섭력 } I_{\text{agg}} \text{의 라플라스 변환을 사용해 커버리지 확률을 계산한다.} \text{유도된 수식을 활용해 BS 밀도 증가에 따른 ASE 행동을 분석한다.}

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BS와 UE 안테나 사이의 절대 높이 차이가 초고밀도 네트워크에서 커버리지 확률과 ASE에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 BS 안테나가 UE 안테나보다 높을 경우, BS 밀도가 증가함에 따라 네트워크 성능이 왜 0으로 감소하는가?
• RQ3 실제 전파 조건 하에서 UDN에서 ASE 붕괴가 발생하는 근본적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 BS 안테나 높이를 UE 수준으로 낮추면 성능 붕괴를 뒤집고 선형 ASE 스케일링을 복원할 수 있는가?
• RQ5 저고도 BS 배치 전략을 구현하기 위해 어떤 아키텍처 및 배치 변경이 필요한가?

주요 결과

• BS 안테나가 UE 안테나보다 높을 경우, BS 밀도가 증가함에 따라 커버리지 확률과 ASE가 모두 점점 0으로 감소하며, 이는 이전의 선형 스케일링 가정과 배치된다.
• 성능 붕괴의 원인은 간섭 링크가 NLoS에서 LoS로 전환되면서 간섭 전력 증가 속도가 신호 전력 증가 속도를 뛰어넘기 때문이다. 이는 밀도 증가에 따른 결과이다.
• BS 안테나 높이를 UE 수준으로 낮추면 성능 붕괴가 제거되고 BS 밀도에 따라 선형 ASE 스케일링이 복원된다.
• ASE 크롤링 현상—즉, ASE 성장 속도가 느려지거나 반전되는 현상—은 BS 밀도가 약 20개/㎢를 초과할 경우 발생한다. 이는 간섭 경로에서 LoS/NLoS 전환 때문이지만, 이는 실질적인 전파 조건에서 발생한다.
• 매우 높은 밀도(>1000개/㎢)에서는 ASE가 회복되어 다시 선형적으로 증가하며, 300MHz 대역폭에서 최대 1000 Gbps/㎢의 피크 스루풋을 달성할 수 있다.
• 제안된 해결책은 기존의 고지대 매크로 또는 스몰셀 배치에서 벗어나 지면 수준의 저고도 배치로의 근본적 전환을 요구한다.