[논문 리뷰] SDN-enabled MIMO Heterogeneous Cooperative Networks with Flexible Cell Association

Anastasios Papazafeiropoulos, Pandelis Kourtessis외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 14.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 47인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 유연한 셀 연동과 소형 기지국(SBS) 협업을 통해 커버리지와 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN) 기반의 다중 안테나 이종망(MIMO HetNet)을 제안한다. 중심화된 SDN 컨트롤러를 활용해 동적 조율과 연동을 수행함으로써, 특히 최적의 SBS 협업 및 beamforming 전략 하에서 더 높은 커버리지 확률과 사용자 이격 성능을 달성하며, SBS 밀도가 특정 임계값을 초과하면 성능 향상 폭이 감소한다.

ABSTRACT

Small-cell densification is a strategy enabling the offloading of users from macro base stations (MBSs), in order to alleviate their load and increase the coverage, especially, for cell-edge users. In parallel, as the network increases in density, the BS cooperation emerges as an efficient design method towards the demands for drastic improvement of the system performance against the detrimental overall interference. In addition, the tiers are enhanced with cell association policies by introducing the concept of the association probability. Above this and motivated by the advantages of cooperation among BSs, the small base stations (SBSs) are enriched with this property in their design. SBS cooperation allows shedding light into its impact on the cell selection rules in multi-antenna HetNets. Under these settings, software-defined networking (SDN) is introduced smoothly to play the leading role in the orchestration of the network. {In particular, heavy operations such as the coordination and the cell association are undertaken by virtue of an SDN controller performing and managing efficiently the corresponding computations due to its centralized adaptability and dynamicity towards the enhancement and potential scalability of the network}. In this context, we derive the coverage probability and the mean achievable rate. Not only we show the outperformance of BS cooperation over uncoordinated BSs, but we also demonstrate that the SBS cooperation enables the admittance of more users from the macro-cell BSs (MBSs). Moreover, we investigate the performance of different transmission techniques, and we identify the optimal bias in each case when SBSs cooperate. Finally, we depict that the SBS densification is beneficial until a specific density value since a further increase does not increase the coverage probability.

연구 동기 및 목표

• 밀도 높은 이종망(HetNets)에서의 로드 불균형과 간섭 문제를 해결하기 위해 탄력적인 셀 연동과 SBS 협업을 가능하게 한다.
• coordination 및 사용자 연동의 SDN 기반 중심화된 오케스트레이션을 통해 시스템 성능을 향상시킨다.
• 스토하스틱 기하학과 불완전한 CSI를 고려한 다중 안테나 HetNet에서의 커버리지 확률과 도달 가능한 신속도를 분석한다.
• SBS 협업 하에서 스펙트럼 효율 향상을 위해 최적의 버이어스 값과 전송 기법을 규명한다.
• 더 이상 성능 향상이 이루어지지 않는 최적의 SBS 배치 밀도를 규명한다.

제안 방법

• 기지국(BS) 위치를 포아송 점 프로세스로 모델링하고 다중 안테나 전송을 사용하는 이중 티어 HetNet을 구성한다.
• 사용자 이격을 제어하기 위한 탄력적인 메트릭으로 연동 확률을 도입하여 MBS에서 SBS로의 사용자 이격을 가능하게 하며, 버이어스 기반의 셀 선택을 가능하게 한다.
• 중앙집중식 컨트롤러를 갖춘 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)을 적용하여 조율 및 연동을 동적으로 관리함으로써 확장성과 적응성을 향상시킨다.
• 스토하스틱 기하학을 적용하여 다양한 전송 방식 하에서 커버리지 확률과 평균 도달 가능한 신속도에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 레일라이 페이딩과 경로 손실 하에서 간섭을 모델링하고 성능 지표를 유도하기 위해 라플라스 변환과 확률 생성 함수형식(PGFL)을 사용한다.
• CSI 품질과 안테나 수의 영향을 정량화하기 위해 다양한 beamforming 기법(SU-BF, SDMA)의 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SBS 협업은 다중 안테나 HetNet에서 커버리지 확률과 사용자 이격에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 SBS가 협업할 경우 커버리지 확률을 최대화하는 데 최적의 연동 버이어스는 무엇인가?
• RQ3 BS의 전송 안테나 수를 증가시키면 협업 기반 HetNet에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 SBS 밀도가 어느 수준 이상이 되면 더 이상 커버리지 확률 향상이 이루어지지 않는가?
• RQ5 SBS 협업 및 불완전한 CSI 하에서 다양한 전송 기법(SU-BF 대비 SDMA 등)은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• SBS 협업은 비협업 SBS에 비해 커버리지 확률을 크게 향상시키고, MBS에서 더 많은 사용자를 이격시킬 수 있도록 한다.
• 최적의 연동 버이어스 값은 전송 기법과 SBS 협업 여부에 따라 달라지며, 특히 SU-BF 및 최적의 beamforming 하에서 더 큰 성능 향상을 보인다.
• BS의 전송 안테나 수를 늘일수록 커버리지 확률과 도달 가능한 신속도가 향상되며, 특히 SBS 협업 환경에서 두드러진다.
• SBS 밀도 증가로 성능 향상은 특정 임계 밀도 이하에서만 이루어지며, 이를 초과하면 커버리지 확률 향상이 더 이상 이루어지지 않는다.
• 완전한 CSI 하에서는 SU-BF가 SDMA보다 커버리지 성능에서 뛰어나지만, 불완전한 CSI(예: 피LOT 오염) 하에서는 성능 격차가 좁아진다.
• 커버리지 확률과 도달 가능한 신속도에 대한 유도된 폐쇄형 표현식은 스토하스틱 기하학과 수치 결과를 통해 검증되었으며, 시뮬레이션과 강한 일치를 보였다.