[논문 리뷰] Performance Impact of Idle Mode Capability on Dense Small Cell Networks with LoS and NLoS Transmissions.

Ming Ding, David López‐Pérez외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 25.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 9인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 라인오브사이트(LoS) 및 비라인오브사이트(NLoS) 전송을 고려한 현실적인 path loss 모델을 사용하여, 밀도 높은 소셀 네트워크(SCNs)에서 유휴 모드 기능(IMC)의 영향을 조사한다. 필요한 기지국(BS)들만 활성화함으로써, IMC는 특히 BS 밀도가 사용자 equipment(UE) 밀도를 초과할 경우, 커버리지 확률, 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성을 크게 향상시킨다. 이 경우 커버리지 확률은 1에 수렴한다.

ABSTRACT

In dense small cell networks (SCNs), a large number of base stations (BSs) can be put to idle modes without signal transmission, if there is no active user equipment (UE) within their coverage areas. Setting those BSs to idle modes can mitigate unnecessary inter-cell interference and reduce energy consumption. Such idle mode feature at BSs is referred to as the idle mode capability (IMC) and it can largely improve the performance of the 5th-generation (5G) networks. In this paper, we study the performance impact of the BS IMC on dense SCNs. Different from existing work, we consider a sophisticated and more realistic path loss model incorporating both line-of-sight (LoS) and non-line-of-sight (NLoS) transmissions. Analytical results are obtained for the coverage probability, the area spectral efficiency and the energy efficiency performance for SCNs with the BS IMC. An upper bound, a lower bound and an approximate expression of the density of the non-idle BSs are also derived. The performance impact of the IMC on network densification is shown to be significant. As the BS density surpasses the UE density, thus creating a surplus of BSs, the coverage probability will continuously increase toward one, which addresses the critical issue of coverage probability decrease caused by the LoS/NLoS transmissions. The results derived from our analysis shed valuable new light on the deployment and the operation of future dense SCNs in 5G.

연구 동기 및 목표

• 실제 전파 조건 하에서 밀도 높은 소셀 네트워크(SCNs)에서 유휴 모드 기능(IMC)의 성능 영향을 분석하는 것.
• 고밀도 배치에서 라인오브사이트(LoS) 및 비라인오브사이트(NLoS) 전송 영향으로 인한 커버리지 확률 저하 문제를 해결하는 것.
• IMC 하에서 커버리지 확률, 영역 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성과 같은 주요 성능 지표에 대한 분석적 표현을 유도하는 것.
• 활성(비유휴) BS의 밀도를 정량화하고, 네트워크 최적화를 위한 상한, 하한, 근사식을 수립하는 것.
• 네트워크 밀도화가 IMC와 어떻게 상호작용하여 5G SCNs의 전체 시스템 성능을 향상시키는지 평가하는 것.

제안 방법

• 라인오브사이트(LoS) 및 비라인오브사이트(NLoS) 전송 링크를 모두 포함한 스토하스틱 기하학 기반 모델을 개발하며, 현실적인 path loss 모델을 사용한다.
• UE가 커버리지 영역 내에 존재할 경우에만 기지국(BS)을 활성화하는 확률적 on/off 메커니즘을 사용하여 BS 활동을 모델링한다.
• 스토하스틱 기하학 및 점 프로세스 이론 도구를 활용하여 커버리지 확률, 영역 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성에 대한 분석적 표현을 유도한다.
• BS 밀도 대 UE 밀도 비율에 기반하여 비유휴(활성) BS의 밀도에 대한 상한 및 하한, 그리고 근사 표현을 수립한다.
• 유도된 표현을 사용하여 다양한 네트워크 밀도 수준과 전파 조건 하에서 시스템 성능을 평가한다.
• 이론적 분 析를 통한 분석 프레임워크의 타당성을 검증하고, 주요 성능 지표의 수렴 경향을 시각화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유휴 모드 기능(IMC)은 혼합된 라인오브사이트(LoS) 및 비라인오브사이트(NLoS) 전송이 존재하는 밀도 높은 SCNs에서 커버리지 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고밀도 소셀 배치에서 IMC는 영역 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 IMC 하에서 활성(비유휴) BS의 밀도는 BS 대 UE 밀도 비율에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 IMC는 밀도 높은 네트워크에서 일반적으로 발생하는 라인오브사이트/비라인오브사이트 전파 영향으로 인한 커버리지 확률 저하를 어느 정도 완화하는가?
• RQ5 네트워크 밀도화와 IMC는 커버리지 확률이 1에 수렴하도록 하는 데 어떻게 상호작용하는가?

주요 결과

• BS 밀도가 UE 밀도를 초과할 경우, IMC 하에서 커버리지 확률은 단조적으로 증가하며 1에 수렴하여, 라인오브사이트/비라인오브사이트 전파로 인한 커버리지 저하 문제를 효과적으로 해결한다.
• 제안된 분석 모델은 IMC를 통한 간섭 감소, 에너지 절감, 스펙트럼 효율성 향상 간의 성능 트레이드오���을 정확히 반영한다.
• 비유휴 BS의 밀도는 유도된 상한 및 하한 값으로 제한되며, 정밀한 근사 표현 덕분에 실용적인 네트워크 계획 수립이 가능하다.
• 특히 초고밀도 배치에서 비유휴 BS의 불필요한 전송을 줄임으로써 IMC는 에너지 효율성을 크게 향상시킨다.
• 선택적 BS 활성화로 인해 간섭 감소 및 최적화된 자원 할당이 가능해져 영역 스펙트럼 효율성이 향상된다.
• IMC의 성능 향상 효과는 고밀도 환경에서 가장 두드러지며, 이는 여유가 있는 BS 수를 바탕으로 한 더 나은 사용자 연결 및 간섭 조율이 가능하기 때문이다.