[논문 리뷰] Poisson Cluster Process Based Analysis of HetNets with Correlated User and Base Station Locations

Mehrnaz Afshang, Harpreet S. Dhillon|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 21.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 52인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 사용자 및 소형 기지국(SBS) 위치 간 상관관계를 고려한 이질적 네트워크(HetNets)를 분석하기 위해 포아송 군집 프로세스 모델을 제안한다. SBS는 사용자 집중지에 배치된다. 포아송 분포를 따르는 집중지 중심 주변에 사용자 및 SBS 군집을 모델링함으로써, 두 가지 사용자 할당 정책 하에서 복수의 SBS가 동일한 자원 블록을 재사용할 경우의 커버리지 확률 및 Throughput를 유도한다. 그 결과, 간섭을 적절히 관리할 경우, 동일한 자원 블록을 클러스터 내 여러 SBS에서 재사용함으로써 커버리지가 심각하게 악화되지 않으면서도 Throughput를 증가시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

This paper develops a new approach to the modeling and analysis of HetNets that accurately incorporates coupling across the locations of users and base stations, which exists due to the deployment of small cell base stations (SBSs) at the places of high user density (termed user hotspots in this paper). Modeling the locations of the geographical centers of user hotspots as a homogeneous Poisson Point Process (PPP), we assume that the users and SBSs are clustered around each user hotspot center independently with two different distributions. The macrocell base station (BS) locations are modeled by an independent PPP. This model is consistent with the user and SBS configurations considered by 3GPP. Using this model, we study the performance of a typical user in terms of coverage probability and throughput for two association policies: i) Policy 1, under which a typical user is served by the open-access BS that provides maximum averaged received power, and ii) Policy 2, under which the typical user is served by the small cell tier if the maximum averaged received power from the open-access SBSs is greater than a certain power threshold; and macro tier otherwise. A key intermediate step in our analysis is the derivation of distance distributions from a typical user to the open-access and closed-access interfering SBSs. Our analysis demonstrates that as the number of SBSs reusing the same resource block increases, coverage probability decreases whereas throughput increases. Therefore, contrary to the usual assumption of orthogonal channelization, it is reasonable to assign the same resource block to multiple SBSs in a given cluster as long as the coverage probability remains acceptable. This approach to HetNet modeling and analysis significantly generalizes the state-of-the-art approaches that are based on modeling the locations of BSs and users by independent PPPs.

연구 동기 및 목표

• 기존 HetNet 모델이 독립적인 사용자 및 기지국(BS) 위치를 가정하여 실제 세계의 사용자 중심 배치 패턴을 반영하지 못하는 한계를 해결하기 위해.
• 사용자 집중지와 SBS 배치 간의 결합을 포아송 군집 프로세스를 사용하여 유사한 스토하스틱 기하학적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 사용자 중심 HetNets에서 두 가지 현실적인 사용자 할당 정책 하에서 커버리지 확률 및 Throughput와 같은 핵심 성능 지표를 분석하기 위해.
• 클러스터 내 여러 SBS에서 동일한 자원 블록을 재사용할 경우 간섭과 스펙트럼 효율성 사이의 트레이드오프를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 사용자 집중지의 지리적 중심을 동질적 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링하고, 사용자 및 SBS를 서로 다른 공간 분포를 사용하여 각 중심 주변에 독립적으로 군집화한다.
• 매크로셀 BS를 별도의 독립적 PPP로 모델링하여 3GPP 배치 가정과 일치하도록 한다.
• 스토하스틱 기하학 도구를 사용하여 일반 사용자로부터 간섭을 일으키는 개방형 및 폐쇄형 SBS까지의 거리 분포를 유도한다.
• 다양한 할당 정책 하에서 내부 클러스터 및 외부 클러스터 간섭을 분석하기 위해 간섭 분포의 라플라스 변환을 사용한다.
• 원거리 클러스터에서 오는 간섭의 라플라스 변환을 계산하기 위해 PPP의 확률 생성 기능(PGFL)을 적용한다.
• 서비스 제공 BS 유형(매크로 또는 소형 셀)에 조건을 두고, 정책 1(최대 평균 수신 전력 기반) 및 정책 2(임계값 기반 매크로 백업) 하에서 커버리지 및 Throughput에 대한 표현식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자 및 SBS 위치 간 상관관계가 HetNets의 커버리지 확률 및 Throughput에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 클러스터 내 여러 SBS에서 동일한 자원 블록을 재사용할 경우 네트워크 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 최대 평균 수신 전력 기반과 전력 임계값 기반의 두 사용자 할당 정책 간 커버리지 및 스펙트럼 효율성 측면에서의 비교는 어떠한가?
• RQ4 클러스터 내 여러 SBS에서 오는 간섭을 효과적으로 관리할 수 있는가? 이를 통해 커버리지가 악화되지 않도록 자원 재사용을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 독립적 PPP 모델에 비해 사용자 중심 HetNets를 포아송 군집 프로세스로 모델링할 경우 분석의 유사성은 어떠한가?

주요 결과

• 동일한 자원 블록을 재사용하는 SBS 수가 증가할수록 간섭이 증가하여 커버리지 확률은 감소하지만, 스펙트럼 재사용 효율성이 향상되어 Throughput는 증가한다.
• 결과적으로 커버리지 확률가 수용 가능한 수준을 유지한다면, 클러스터 내 여러 SBS에서 자원 블록을 재사용하는 것은 실현 가능하고 유익하다. 이는 기존의 직교 채널화 가정을 도전하는 대목이다.
• 제안된 포아송 군집 프로세스 모델은 사용자 중심 배치에서 사용자 및 SBS 위치 간 결합을 정확히 반영한다. 이는 독립적 PPP 모델에서는 존재하지 않는 특성이다.
• 내부 클러스터 간섭의 라플라스 변환은 서비스 제공 BS에 따라 조건화하고, 일반 사용자에서 간섭을 일으키는 SBS까지의 거리 분포를 사용하여 유도된다.
• 외부 클러스터 간섭은 PPP의 PGFL을 사용하여 모델링되어 원거리 클러스터에서 오는 간섭의 분석을 가능하게 한다.
• 분석 결과, 정책 2(임계값 기반 매크로 백업)는 특히 고밀도 집중지 지역에서 커버리지와 스펙트럼 효율성 사이의 균형을 잘 유지하는 것으로 나타났다.