[논문 리뷰] SINR-based coverage probability in cellular networks under multiple connections

Holger Paul Keeler, Bartłomiej Błaszczyszyn외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 25.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 경로 손실과 샤도잉을 고려한 포아송 점 프로세스로 모델링된 기지국을 갖는 다중 연결 셀룰러 네트워크에서 SINR 커버리지 확률에 대한 명시적이고 수치적으로 다룰 수 있는 적분 표현을 유도한다. 이는 SINR < 1을 포함한 전체 SINR 범위에서 정확한 결과를 제공하며, 다중 연결 및 다중 커버리지 분석을 가능하게 하여 Dhillon 등(2012)의 이전 연구를 확장한다.

ABSTRACT

We give numerically tractable, explicit integral expressions for the distribution of the signal-to-interference-and-noise-ratio (SINR) experienced by a typical user in the down-link channel from the k-th strongest bases stations of a cellular network modelled by Poisson point process on the plane. Our model comprises power-low path-loss model with arbitrarily distributed shadowing, with and without Rayleigh fading. Our results are valid in the whole domain of SINR, in particular for SINR<1, where one observes multiple coverage. In this latter aspect our paper complements previous studies reported in [Dhillon et al. JSAC 2012].

연구 동기 및 목표

• 사용자가 k번째로 강한 기지국과 연결되는 다운링크 셀룰러 네트워크에서 SINR 분포를 모델링하고 분석하는 것.
• 경로 손실과 임의의 샤도잉, 레이일리 fading을 포함한 현실적인 전파 효과를 고려하는 것.
• SINR < 1인 영역으로 확장된 기존 커버리지 분석을 통해 다중 기지국이 커버리지 기여를 하는 상황을 다루는 것.
• 전체 SINR 영역에서 유효한 수치적으로 다룰 수 있는 표현을 제공하는 것.
• Dhillon 등(2012)의 연구를 보완하며, 단일 연결 시나리오와 SINR ≥ 1에 국한된 기존 결과를 넘어서는 것.

제안 방법

• 기지국 위치를 평면상의 균일한 포아송 점 프로세스로 모델링하여 네트워크를 표현하는 것.
• 임의로 분포된 샤도잉과 레이일리 페이딩을 포함한 거리 제곱 법칙 기반 경로 손실 모델을 사용하는 것.
• k번째로 강한 기지국 링크의 SINR 누적분포함수(CDF)를 유도하는 것.
• 스토케스틱 기하학 기법을 활용해 SINR 분포에 대한 명시적 적분 표현을 유도하는 것.
• 커버리지 확률을 단일 적분으로 표현함으로써 수학적 취급 용이성을 확보하는 것.
• 낮은 SINR 영역까지 포함한 전체 SINR 범위에서 접근 방식을 검증하며, 다중 연결이 활성화된 상황에서도 유효성을 확보하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포아송 분포 기반 셀룰러 네트워크에서 사용자가 k번째로 강한 기지국과 연결될 경우, SINR 커버리지 확률을 해석적으로 어떻게 표현할 수 있는가?
• RQ2 경로 손실, 샤도잉, 레이일리 페이딩이 다중 연결 시나리오에서 SINR 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 SINR < 1일 경우, 다수의 기지국이 동시에 커버리지 기여를 하는 상황에서 커버리지 확률은 어떻게 행동하는가?
• RQ4 전체 SINR 영역에서 SINR CDF에 대해 닫힌 형태 또는 수치적으로 다룰 수 있는 표현을 도출할 수 있는가?
• RQ5 제안된 모델은 SINR ≥ 1에 국한된 기존 결과에 비해 어떻게 확장되거나 향상되는가?

주요 결과

• 논문은 전체 SINR 범위, 포함하여 SINR < 1에서도 유효한 명시적이고 수치적으로 다룰 수 있는 적분 표현을 통해 SINR 커버리지 확률을 도출한다.
• 유도된 표현은 임의의 샤도잉 분포를 고려하므로 현실적인 네트워크 시나리오에 적용 가능하다.
• k번째로 강한 기지국을 분석함으로써 다중 연결 다이나믹스를 반영한 모델링을 가능하게 하여 다중 연결 다양성 분석이 수월해진다.
• 결과는 페이딩 및 경로 손실 모델에 대해 강건하며, 고정밀도 수치 평가가 가능한 명시적 수식을 제공한다.
• Dhillon 등(2012)의 연구를 넘어서, 다중 커버리지가 관찰되는 낮은 SINR 영역에 대한 분석 도구를 제공함으로써 기존 연구를 확장한다.
• 유도된 표현은 샤도잉과 페이딩을 포함한 현실적인 전파 조건 하에서 커버리지 성능을 정확하게 평가할 수 있도록 한다.