[논문 리뷰] Tractable Model for Rate in Self-Backhauled Millimeter Wave Cellular Networks

Sarabjot Singh, Mandar N. Kulkarni외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 21.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 36인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 자기 백홀을 갖춘 밀리미터파(mmWave) 림계 네트워크를 위한 분석 가능하고 타당한 스토하스틱 기하학 모델을 제안한다. 여기서 기지국(BS)들은 방향성 mmWave 링크를 사용하여 메esh 네트워크를 형성한다. 이 모델은 빔포밍에 의한 간섭 격리와 액세스 및 백홀 간의 자원 공유를 반영하며, 스펙트럼 효율성과 세포 엣지 속도가 BS 밀도 증가에 따라 증가함을 보여주는데, 이는 간섭에 의해 제한되는 4G 네트워크와는 반대로, 대역폭은 세포 엣지 속도에 거의 영향을 주지 않는다.

ABSTRACT

Millimeter wave (mmW) cellular systems will require high gain directional antennas and dense base station (BS) deployments to overcome high near field path loss and poor diffraction. As a desirable side effect, high gain antennas provide interference isolation, providing an opportunity to incorporate self-backhauling--BSs backhauling among themselves in a mesh architecture without significant loss in throughput--to enable the requisite large BS densities. The use of directional antennas and resource sharing between access and backhaul links leads to coverage and rate trends that differ significantly from conventional microwave ($μ$W) cellular systems. In this paper, we propose a general and tractable mmW cellular model capturing these key trends and characterize the associated rate distribution. The developed model and analysis is validated using actual building locations from dense urban settings and empirically-derived path loss models. The analysis shows that in sharp contrast to the interference limited nature of $μ$W cellular networks, the spectral efficiency of mmW networks (besides total rate) also increases with BS density particularly at the cell edge. Increasing the system bandwidth, although boosting median and peak rates, does not significantly influence the cell edge rate. With self-backhauling, different combinations of the wired backhaul fraction (i.e. the faction of BSs with a wired connection) and BS density are shown to guarantee the same median rate (QoS).

연구 동기 및 목표

• 자기 백홀이 있는 mmWave 림계 네트워크를 위한 일반적이고 분석 가능한 스토하스틱 기하학 모델을 개발하여 속도 분포를 분석한다.
• 방향성 빔포밍과 간섭 격리가 고밀도 mmWave 배치에서 커버리지와 스펙트럼 효율성에 미치는 영향을 이해한다.
• BS 밀도, 대역폭, 유선 백홀 비율이 네트워크 성능, 특히 세포 엣지 속도에 미치는 영향을 정량화한다.
• 실제 도시 건물 레이아웃과 고밀도 환경에서의 경험적 path loss 데이터를 사용하여 모델을 검증한다.
• 자기 백홀이 밀도 증가에 따라 총 속도와 엣지 속도가 향상되는 확장 가능하고 고용량 mmWave 네트워크를 가능하게 함을 보여준다.

제안 방법

• 기지국(BS)의 포아송 점 프로세스(PPP)로 네트워크를 모델링하며, 일부는 유선 백홀로 연결되고, 나머지는 방향성 mmWave 링크를 통해 자기 백홀링된다.
• 실제 도시 건물 데이터에서 유도된 path loss 모델을 포함하고, 분석적 타당성을 향상시키기 위해 소규모 fading을 위한 레이일리 페이딩을 적용한다.
• 스토하스틱 기하학과 라플라스 변환을 사용하여 업링크 및 다운링크 신호 대 간섭+노이즈비(SINR) 커버리지 확률을 유도한다.
• 업링크 전송에서 path loss 보상에 대응하기 위해 분수형 전력 제어 모델을 도입하여 SNR 분포에 영향을 준다.
• 서비스 링크 path loss와 간섭의 분포를 점 프로세스의 빈도 확률과 라플라스 함수를 사용하여 유도한다.
• 부분 적분과 오일러의 특성화를 적용하여 역 라플라스 변환을 계산하고, 커버리지 및 속도에 대한 닫힌 형식의 표현식을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기 백홀링이 있는 mmWave 네트워크에서 BS 밀도는 세포 엣지에서의 속도 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 4G와 비교할 때 mmWave 네트워크에서 시스템 대역폭은 중앙값 및 세포 엣지 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자기 백홀링은 고밀도 mmWave 배치에서 스펙트럼 효율성과 전체 네트워크 용량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 유선 백홀 비율과 BS 밀도의 다양한 조합이 mmWave 네트워크에서 동일한 중앙값 속도(QoS)를 달성할 수 있는가?
• RQ5 4G 네트워크에서의 간섭 제한 행동과 mmWave 네트워크에서의 방향성 빔을 갖춘 노이즈 제한 행동 간의 차이는 어느 정도인가?

주요 결과

• 방향성 빔포밍으로 인해 mmWave 네트워크는 간섭 제한이 아니라 노이즈 제한임을 보여주며, 이로 인해 주로 낮은 SNR에서 아웃지가 발생한다.
• 세포 엣지 스펙트럼 효율성은 BS 밀도 증가에 따라 증가하며, 4G 네트워크와는 반대로 엣지 속도는 일반적으로 간섭에 의해 제한된다.
• 시스템 대역폭을 늘리면 중앙값 및 최고 속도는 증가하지만, 엣지 사용자는 전력 제한 상태이므로 엣지 속도에 거의 영향을 주지 않는다.
• 자기 백홀링은 고밀도 mmWave 네트워크에서 확장 가능한 백홀을 가능하게 하며, 유선 백홀 비율과 BS 밀도의 다양한 조합이 동일한 중앙값 속도를 달성할 수 있다.
• 실제 도시 건물 레이아웃과 경험적 path loss 모델을 사용하여 모델을 검증하였으며, 현실적인 시나리오에서 분석 예측이 확인되었다.
• 유도된 커버리지 및 속도 표현식은 분석적으로 타당하며, 백홀 유형, 밀도, QoS 간의 정량적 설계 트레이드오프를 가능하게 한다.