[논문 리뷰] Tractable Resource Management in Millimeter-Wave Overlaid Ultra-Dense Cellular Networks

Jihong Park, Seong‐Lyun Kim외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 16.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 밀도가 높은 mmWave 통합 초고밀도망(Ultradense Networks, UDNs)의 실현 가능한 자원 관리 프레임워크를 제안하며, 스토하스틱 기하학과 3D 차단 모델을 활용하여 폐쇄형 스펙트럼 효율(SE) 표현식을 유도한다. 연구 결과에 따르면, mmWave의 높은 피크 대 평균 전력비(PAPR)로 인해 업링크(UL) 속도가 심각하게 제한되므로, 마이크로웨이브(μW) 대역은 주로 업링크에 할당되어야 하며, 최적의 자원 할당은 기지국(BS) 밀도 비율에 대해 로그적으로 의존한다.

ABSTRACT

What does millimeter-wave (mmW) seek assistance for from micro-wave (μW) in a mmW overlaid 5G cellular network? This paper raises the question of whether to complement downlink (DL) or uplink (UL) transmissions, and concludes that μW should aid UL more. Such dedication to UL results from the low mmW UL rate due to high peak-to-average power ratio (PAPR) at mobile users. The DL/UL allocations are tractably provided based on a novel closed-form mm-μW spectral efficiency (SE) derivation via stochastic geometry. The findings explicitly indicate: (i) both DL/UL mmW (or μW) SEs coincidentally converge on the same value in an ultra-dense cellular network (UDN) and (ii) such a mmW (or μW) UDN SE is a logarithmic function of BS-to-user density ratio. The corresponding mm-μW resource management is evaluated by utilizing a three dimensional (3D) blockage model with real geography in Seoul, Korea.

연구 동기 및 목표

• 이동 단말기에서의 높은 피크 대 평균 전력비(PAPR)로 인해 발생하는 mmWave 기반 5G 초고밀도망(Ultradense Networks, UDNs)의 본질적 업링크(UL) 속도 병목 현상을 해결한다.
• 기존 마이크로웨이브(μW) 대역이 다운링크(DL)와 업링크(UL) 사이에 최적으로 할당되어 전체 DL 속도를 극대화하면서도 최소한의 UL 속도를 확보할 수 있는 방법을 조사한다.
• 스토하스틱 기하학과 현실적인 3D 차단 모델링을 활용하여 네트워크 설계 및 구현을 안내하는 실현 가능한 폐쇄형 자원 관리 솔루션을 개발한다.
• BS 밀도와 스펙트럼 할당이 스펙트럼 효율에 미치는 영향을 정량화하여 5G mmWave-μWave 이종망의 설계 지침을 제공한다.

제안 방법

• mmWave와 μWave 기지국(BS)이 독립적인 2차원 균일한 포아송 점 프로세스(PPPs)로 분포하는 이중 티어 이종 시스템으로 네트워크를 모델링한다.
• 서울, 한국의 실제 지리 정보를 기반으로 한 3D 차단 모델을 도입하여 mmWave 신호의 시야(LOS) 전파 제약 조건을 반영한다.
• 스토하스틱 기하학과 실현 가능한 근사치를 활용하여 mmWave 및 μWave 링크의 다운링크 및 업링크 스펙트럼 효율(SE)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 업링크 SE에 대한 유연한 표현식을 도출하기 위해 상한 및 하한을 적용하여 제약 조건 하에 분석적 최적화를 가능하게 한다.
• 최소 업링크 속도 제약 조건과 PAPR 아웃오지 확률 한계를 만족시키면서 다운링크 속도를 극대화하는 자원 할당 문제를 수립한다.
• 최적화 문제를 폐쇄형으로 해결하여 mmWave 기지국 밀도와 스펙트럼 대역폭에 따라 달라지는 최적의 μWave 업링크 자원 할당 정책을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mmWave 기반 초고밀도망에서 마이크로웨이브(μW) 대역을 다운링크(DL)와 업링크(UL) 사이에 어떻게 할당해야 전체 DL 속도를 극대화할 수 있는가?
• RQ2 mmWave의 높은 PAPR가 업링크 스펙트럼 효율에 미치는 영향은 무엇이며, μWave 자원을 통해 이 병목 현상을 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 기지국 밀도와 대역폭 할당은 3D 차단 환경에서 mmWave 및 μWave 링크의 스펙트럼 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 3D 차단 조건이 존재하는 초고밀도망에서 스펙트럼 효율에 대한 폐쇄형 표현식을 도출할 수 있는가?
• RQ5 최소 업링크 속도 제약 조건이 존재할 경우 다운링크와 업링크 자원 할당 간의 최적 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• 500 MHz의 mmWave 대역폭과 20%의 최소 업링크/다운링크 속도 비율 조건에서, 업링크 병목 현상을 해결하기 위해 μW 대역의 60% 이상을 업링크에 할당해야 한다.
• 1 GHz의 mmWave 대역폭 조건에서는 전체 μW 대역을 업링크에 할당해야 최소 업링크 속도 요구 조건을 충족할 수 있다.
• 초고밀도망에서 mmWave 및 μWave 링크의 스펙트럼 효율은 기지국 대 사용자 밀도 비율에 대해 로그적으로 증가한다.
• 서울, 한국의 실제 건물 데이터를 기반으로 한 3D 차단 모델을 활용하여 유도된 다운링크 및 업링크 스펙트럼 효율 폐쇄형 표현식이 검증되었다.
• 최적의 μWave 업링크 자원 할당은 mmWave 대역폭과 요구되는 업링크 속도에 따라 증가하며, 이는 현재의 다운링크 자원 우월 경향과 정반대이다.
• 최대 달성 가능한 다운링크 속도는 mmWave 및 μWave 기지국 밀도의 곱에 대해 로그적으로 증가하며, 네트워크 밀도 증가의 이점을 확인한다.