[논문 리뷰] Ultra-Dense Networks: Is There a Limit to Spatial Spectrum Reuse?

Ming Ding, David López Pérez외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 03.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 12인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초고밀도망(UDNs)에서 공간 스펙트럼 재사용(SSR)에 기본적인 한계가 있는지 조사하며, 비어 있지 않은 기지국(BC)-사용자 단말(UE) 높이 차이와 유한한 UE 밀도로 인해 신호 및 간섭 전력이 모두 유한해지므로, 네트워크 용량은 최적의 SSR 밀도까지 선형적으로 증가할 뿐이며, 이를 초과한 밀도화는 수익 감소를 초래함을 보여준다. 이는 실용적인 UDN에서 SSR에 이론적 한계가 있음을 암시한다.

ABSTRACT

The aggressive spatial spectrum reuse (SSR) by network densification using smaller cells has successfully driven the wireless communication industry onward in the past decades. In our future journey toward ultra-dense networks (UDNs), a fundamental question needs to be answered. Is there a limit to SSR? In other words, when we deploy thousands or millions of small cell base stations (BSs) per square kilometer, is activating all BSs on the same time/frequency resource the best strategy? In this paper, we present theoretical analyses to answer such question. In particular, we find that both the signal and interference powers become bounded in practical UDNs with a non-zero BS-to-UE antenna height difference and a finite UE density, which leads to a constant capacity scaling law. As a result, there exists an optimal SSR density that can maximize the network capacity. Hence, the limit to SSR should be considered in the operation of future UDNs.

연구 동기 및 목표

• 초고밀도망(UDNs)에서의 공간 스펙트럼 재사용-SSR-에 기본적인 물리적 한계가 있는지 여부를 규명하는 것, 비록 네트워크 밀도화를 극도로 강화하더라도 그렇다.
• 비어 있지 않은 기지국-사용자 단말 안테나 높이 차이와 유한한 사용자 단말(UE) 밀도가 UDN에서 신호 및 간섭 전력 스케일링에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 전통적으로 전체 네트워크 로딩 조건에서 SINR 불변성 가정이 실용적인 UDN 시나리오에서도 유효한지 여부를 조사하는 것.
• 유한한 신호 및 간섭 전력에 대응하는 용량 스케일링 법칙을 유도하여 최대 네트워크 용량을 위한 최적의 SSR 밀도를 규명하는 것.
• SSR를 기지국 밀도에 비례해 무한정 증가시켜 네트워크 용량을 선형적으로 확장할 수 있다는 오랜 믿음을 도전하는 것.

제안 방법

• 초고밀도망(UDNs)에서 기지국(BSs)과 사용자 단말(UEs)의 공간 분포를 기술하기 위해 스투흐스틱 기하학과 포아송 점 프로세스(PPP) 모델을 사용한다.
• 3GPP 권고에 기반한 다중 조각 모델을 사용하여 라인오브사이트(LoS) 및 비라인오브사이트(NLoS) 전파 조건을 모두 포함하는 경로 손실을 모델링한다.
• 캠벨 정리를 적용하여, LoS 및 NLoS 링크를 모두 고려한 집합 간섭 전력의 라플라스 변환을 유도한다.
• 유한한 UE 밀도 모델을 도입하여, 활성 UEs를 서비스하는 BS들만 활성화되므로 부분적 네트워크 로딩이 발생하고 간섭이 유한해짐을 반영한다.
• BS 밀도 λ → ∞일 때의 커버리지 확률 및 영역 스펙트럼 효율(ASE)의 극한 행동을 분석하여, 유한한 값으로 수렴하는 것을 보여준다.
• 간섭 제한 조건 하에서의 점근적 커버리지 확률 및 ASE 표현식을 유도하여, 고밀도에서 BS 밀도에 독립적인 성질을 드러낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고밀도망(UDNs)에서 기지국 밀도 증가에 따라 일반적인 UE의 신호 전력이 무한정 증가하는가?
• RQ2 유한한 UE 밀도를 가진 실용적 UDN에서 기지국 밀도 증가에 따라 집합 간섭 전력이 무한히 증가하는가?
• RQ3 km²당 수천 또는 수만 개의 기지국을 배치할 경우 공간 스펙트럼 재사용-SSR-에 기본적인 한계가 존재하는가?
• RQ4 비어 있지 않은 기지국-사용자 단말 안테나 높이 차이와 유한한 UE 밀도가 UDN에서 SINR 및 네트워크 용량 스케일링에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 실용적인 전파 및 로딩 조건 하에서 전통적인 SINR 불변성 가정이 유지되는가, 아니면 붕괴되는가?

주요 결과

• 기지국과 UE 사이의 최소 거리(L)가 비어 있으므로 일반적인 UE의 신호 전력은 밀도화에 따라 무한히 증가하지 않으며, 유한해진다.
• 유한한 UE 밀도로 인해 활성화되는 기지국 수가 유한하므로 집합 간섭 전력도 유한해지며, 간섭 전송자 수가 제한된다.
• BS 밀도 λ → ∞일 때 커버리지 확률은 λ에 독립적인 일정한 값으로 수렴하며, 이는 SINR이 불변하지 않음을 시사한다.
• λ → ∞일 때 영역 스펙트럼 효율(ASE)도 유한한 한계로 수렴하므로, BS 밀도 증가에 따라 네트워크 용량이 무한히 증가하지는 않음을 의미한다.
• 최대 네트워크 용량을 위한 최적의 공간 재사용 밀도가 존재하므로, 동일한 스펙트럼을 사용하는 모든 기지국을 활성화하는 것이 초고밀도 환경에서 항상 최적은 아니다.
• SSR에 대한 이론적 한계는 최소 거리 L의 물리적 제약와 유한한 UE 밀도에 의한 실용적 네트워크 로딩 간의 상호작용에서 기인하며, 이는 신호 및 간섭 전력 모두를 제한한다.